請求の範囲
1 アルミナをアルミニウムに電解還元するため
の槽であつて、該槽は、アルミニウムに湿潤し得
る表面層を結合している陰極基体を含む陰極を有
し、前記表面層は、黒鉛化していない炭素母体中
に耐火性硬質物質を含み、前記炭素母体の消耗速
度は、前記槽の操作中、前記耐火性硬質物質の摩
耗及び溶解の合計速度に本質的に等しく、また前
記表面層は塗布物を硬化および炭化させることに
よつて得られ、
前記塗布物は10〜90重量%の耐火性硬質物質、
1〜40重量%の非黒鉛化熱硬化性樹脂結合剤、
100メツシユより小さい粒径を有する1〜60重量
%の炭素質充填剤粒子、および100メツシユより
大きい粒径を有する粒状物質および/または炭素
繊維の形状の5〜70重量%の炭素質添加剤を含有
する槽。
2 請求の範囲第1項に記載の槽において、前記
耐火性硬質物質が二硼化チタンを含むことを特徴
とする槽。
3 請求の範囲第2項に記載の槽において、前記
表面層は20〜70重量%の二硼化チタン、1〜40重
量%の熱硬化性樹脂結合剤、10〜40重量%の炭素
質充填剤、および5〜15重量%の炭素質添加剤を
含有する塗布物を硬化および炭化させることによ
り得られる槽。
4 請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに
記載の槽において、前記熱硬化性樹脂結合剤はフ
エノール樹脂、フラン樹脂前駆体またはその混合
物を含有する槽。
5 請求の範囲第1項ないし第4項のいずれかに
記載の槽において、前記表面層は800〜1000℃に
おいて0.2%より少ない膨張率を示す槽。
6 請求の範囲第1項に記載の槽において、前記
陰極は水平線に関して傾斜している槽。
7 アルミニウム還元槽用の、アルミニウムに湿
潤する陰極表面を製造する方法であつて、陰極基
体に10〜90重量%の耐火性硬質物質、非黒鉛化熱
硬化性樹脂を含む1〜40重量%の熱硬化性樹脂結
合剤、100メツシユより小さい粒径を有する1〜
60重量%の炭素質充填剤粒子、および100メツシ
ユより大きい粒径を有する粒状物質および/また
は炭素繊維の形状の5〜70重量%の炭素質添加剤
を含有する塗布組成物を塗布し、該塗布組成物を
硬化させて比較的硬い接着性表面層を形成し、前
記表面層を炭化させて非黒鉛化炭素母体の中に耐
火性硬質物質が存在する、接着性、アルミニウム
湿潤性の表面層を作ることを含み、前記表面層の
膨張率(%)が、800乃至1000℃において、前記
陰極基体の膨張率(%)と、0.2以下(0.2を含ま
ず)異なることを特徴とする方法。
8 請求の範囲第7項に記載の方法において、前
記塗布組成物が、前記槽の外で炭素陰極ブロツク
に塗布され硬化されてから前記槽に設置されるこ
とを特徴とする方法。
9 請求の範囲第8項に記載の方法において、前
記塗布組成物が、炭化されてから前記槽に設置さ
れることを特徴とする方法。
10 請求の範囲第8項に記載の方法において、
前記塗布組成物が、前記槽中で炭化されることを
特徴とする方法。
11 請求の範囲第7項に記載の方法において、
前記塗布組成物が、前記槽の外で炭素陰極ブロツ
クに塗布され、ついで前記槽中で硬化、炭化され
ることを特徴とする方法。
12 請求の範囲第7項に記載の方法において、
前記塗布組成物が、前記槽の中で陰極基体に塗布
され、ついで硬化、炭化されることを特徴とする
方法。
13 請求の範囲第7項ないし第12項のいずれ
かに記載の方法において、前記塗布組成物が、結
合層上に塗布されることを特徴とする方法。
14 請求の範囲第7項ないし第13項のいずれ
かに記載の方法において、前記塗布組成物が、複
数層で塗布されることを特徴とする方法。
15 請求の範囲第7項ないし第14項のいずれ
かに記載の方法において、前記耐火性硬質物資は
二硼化チタンを含む方法。
16 請求の範囲第15項に記載の方法におい
て、二硼化チタン含量が各層で順次変化すること
を特徴とする方法。
17 請求の範囲第7項ないし第16項のいずれ
かに記載の方法において、前記熱硬化性樹脂結合
剤は1またはそれ以上のフエノール樹脂、フラン
樹脂前駆体またはその混合物を含有する方法。
18 アルミニウム還元槽用アルミニウム湿潤性
陰極であつて、表面層を有する陰極基体を含有
し、前記表面層は硬化し、炭化した組成物であ
り、該組成物は10〜90重量%の耐火性硬質物質、
非黒鉛化熱硬化性樹脂を含む1〜40重量%の熱硬
化性樹脂結合剤、100メツシユより小さい粒径を
有する1〜60重量%の炭素質充填剤粒子、および
100メツシユより大きい粒径を有する粒状物質お
よび/または炭素繊維の形状の5〜70重量%の炭
素質添加剤を含有する陰極。
19 請求の範囲第18項に記載の陰極におい
て、前記熱硬化性樹脂結合剤は1またはそれ以上
のフエノール樹脂、フラン樹脂前駆体またはその
混合物を含有する陰極。
20 請求の範囲第18項又は第19項に記載の
陰極において、前記組成物は20〜70重量%の耐火
性硬質物質、1〜40重量%の熱硬化性樹脂、10〜
40重量%の炭素質充填剤、および5〜15重量%の
炭素質添加剤を含有する陰極。
21 請求の範囲第18項ないし第20項に記載
の陰極において、前記耐火性硬質物質は二硼化チ
タンである陰極。
22 請求の範囲第18項に記載の陰極におい
て、前記陰極は水平線に関して傾斜している陰
極。
背景技術
アルミニウムの製造は、従来ホール・エルーの
電解還元法により行なわれている。この方法で
は、酸化アルミニウムを熔融氷晶石に溶かし、
900〜1000℃で電解する。この方法は、適当な耐
火性物質の絶縁性内張りを持つスチール壁を普通
含有する還元槽中で行なわれる。絶縁性内張りは
更に、熔融諸成分と接触する炭素内張りを有す
る。普通炭素よりなる1以上の陽極は、直流電源
の正極に接続し、電解槽中に垂下してある。同じ
直流電源の負極に接続する1以上の電導棒は、電
解槽の床を含む炭素陰極基体中にうめ込まれてお
り、従つて陰極基体は電流が流されると陰極とな
る。陰極基体が炭素内張りを含む場合は、無煙
炭、コークス、コールタールピツチより普通なる
混合物と共につき固めた多数のプリベーク陰極ブ
ロツクから陰極基体が作られているのが普通であ
る。
かゝる従来設計のホール・エルー電解槽では、
電解中のに生成する熔融アルミニウムだまりがこ
れ自体陰極系の一部として働く。陰極内張り又は
陰極物質の寿命は平均3〜8年であるが、悪条件
下ではもつと短かくなり得る。陰極内張り物質の
劣化は、電解液及び液体アルミニウムの侵食及び
侵入、並びに金属ナトリウムの侵入による。この
劣化は、炭素ブロツクとつき固め用混合物
(rammingmix)の膨張と変形を引き起す。
電解槽稼動における諸問題の1つとして、アル
ミニウムだまりの下の炭素陰極の表面変化が従来
より存在した。例えば、不溶物質(スラツジ又は
泥状物)の推積−電解槽底部に絶縁性部分を形成
する−である。鉄陰極棒にアルミニウムが侵入す
ると、アルミニウム金属中の鉄含量が過度にな
り、より重大な場合にはタツプアウト(tap−
out)が起る。炭素陰極のもう1つの重大な欠点
は、それがアルミニウムにより湿潤されない点で
ある。このため、熔融アルミニウムを陰極表面に
効果的に接触させる目的で、金属だまりにかなり
の高さをもたせる必要がある。このようなアルミ
ニウムだまりを維持する場合の1つの問題とし
て、電磁力により熔融アルミニウム中に運動及び
定常波が発生する。アルミニウムと陽極との短絡
を防止するため、陽極−陰極間距離(ACD)を
殆んどの設計において安全な4〜6cmとしなけれ
ばならない。如何なる電解槽を設置する場合で
も、最低のACD値が存在する。それ以下だと、
電流効率の大きな損失が起るが、この損失は、激
しい撹拌条件下でのバツク・リアクシヨン
(back reaction)の上昇と関連したアルミニウ
ムだまりの不安定さに由来する、アルミニウムだ
まりの陽極への短絡によるものである。電流が電
解液を通して横切る電極間距離の電気抵抗は、
1.4〜1.7ボルトの範囲で電圧を低下させる。これ
は、電解槽内の電圧低下の30〜60%であり、電解
槽中の電圧低下の最大原因である。
ACD及びそれに関連する電圧低下を小さくす
る目的で、陰極物質としてTiB2のような耐火性
硬質物質(RHM)を用いる研究が1950年代より
広範囲に行なわれている。TiB2はほんのごく僅
かだけアルミニウムに溶け、電導性が行く、アル
ミニウムにより湿潤される。この被湿潤性の故
に、RHM陰極表面上にアルミニウム膜が直接に
電解沈積し、アルミニウムだまりの必要性がなく
なる。TiB2や類似RHMはアルミニウムにより湿
潤され、還元槽の腐食性環境に抗し、かつ優れた
電導体であるので、一つにはACDを小さくして
エネルギーを節約する目的で、RHMを用いる電
解槽のデザインが数多く提案されている。
アルミニウムの製造又は精製用電解槽に電導性
TiB2要素を使用することは、以下の米国特許に
記述されている;米国特許第2915442号、第
3028324号、第3215615号、3314876号、第3330756
号、第3156639号、第3274093号、第3400061号。
これら及び他の特許で分るように過去のむしろ広
範囲な研究努力、更に電導性要素としてのTiB2
を使用した場合の利点の可能性にもかかわらず、
かゝる組成物がアルミニウム業界で工業的に大規
模に用いられたことはないようである。従来技術
がTiB2又はRHM電導性要素を受け入れないの
は、電解還元槽中のでの使用中これら物質が安定
性に欠けることに関係している。報告によると、
これら電導性要素は使用中比較的短期間で破壊す
る。この破壊は、自結合のRHM構造が電解液及
び/又はアルミニウムの侵入をうけることに関連
しており、それによりRHM構造が決定的に弱く
なり、その結果ひび割れ、破壊が起つた。固体の
粒子間境界に液相が侵入すると好ましくない影響
が生ずることがあることは、公知である。例え
ば、酸素不純物が粒子間境界にそつて分離しやす
いRHMタイルは、アルミニウム金属及び/又は
氷晶石浴により迅速な攻撃をうけやすい。アルミ
ニウム電解槽中で起るTiB2タイルの崩壊を防止
するための従来技術は、約3000ppmの酸素を含有
する工業的に純粋なTiB2粉末のコストの3倍又
は4倍のコストの、50ppm以下の酸素を含有する
高度に精製したTiB2粉末をタイル製造に用いる
ものであつた。加工がかゝるタイルのコストを更
に大巾に上昇させる。しかし、知られる限りで
は、TiB2タイルを用いる電解槽が、陰極に対す
るタイルの接着力の損失又はタイルの崩壊なし
に、長期間の稼動に成攻した例はない。RHMタ
イル及び塗布材の破壊に対し考えられた他の理由
は、熔融アルミニウム又は熔融フラツクス
(flux)中へのそれらの溶解、或いは機械的強度
及び熱衝撃に対する抵抗力の欠如であつた。更
に、別のタイプのTiB2塗布材が炭素基体に適用
されたが、TiB2材と炭素陰極ブロツクとの間の
熱膨張の差により破損した。我々の知る所では、
熱膨張の不釣合、結合力の問題などのために、工
業的陰極基体として稼動に成功したRHM含有材
は今迄に存在しなかつた。
例えば、カイザー・アルミニウムに認可され
た、ルイス(Lewis)等による米国特許第
3400061号は、ドレインド・アンド・ウエツテイ
ツド(drained and wetted)陰極を有する電解
槽構造を教示する。この場合、RHM陰極表面
は、5%以上の炭素と普通10〜20重量%のピツチ
結合剤とを900℃以上でベークしたRHM混合物
よりなつている。この特許によれば、このような
複合陰極は従来の陰極より高い寸法安定性を有す
る。この複合陰極塗布材は、電解槽底部の正しい
位置に詰め込むことができる。しかしこの技術
は、後にカイザー・アルミニウムに認可された、
ペイン(Payne)による米国特許第4093524号中
に教示されている通り、電解浴の攻撃をうけ易い
ために、広範囲には採用されていない。
ペインによる前記米国特許第4093524号は、
TiB2及び他のRHMを電導性基体(黒鉛など)又
は炭化ケイ素に結合させる場合の改良法を請求す
る。陰極表面は厚さ0.3〜2.5cmのTiB2タイルでで
きている。しかし、かゝるRHMタイルと炭素と
の間の熱膨張係数の差が大きいため、室温及び電
解槽の稼動温度の何れでも効力を有する結合が、
形成しにくい。従つて、この結合は、アルミニウ
ムと炭素が反応して電解槽の稼動温度付近で炭化
アルミニウムが生成するのを利用して、RHMタ
イルと炭素の界面で稼動中に形成する。しかし、
結合は高温が得られる迄形成しないので、温度ス
タートの操作中にタイルが移動しやすい。陰極表
面に電流を通すことにより結合は加速され、極め
て薄い炭化アルミニウム結合が生成する。しか
し、タイル間距離が大きすぎると、結合に対する
アルミニウム及び/又は電解質の攻撃が起る。ま
たそれらの距離が近すぎると、稼動温度でふくら
みが発生し、その結果電解槽内張りの急速な劣化
並びに電解槽稼動の乱れが生じる。従つて、上記
の考え方は広く利用されていない。
ホリデー(Holliday)は米国特許第3661736号
において、ドレインド・アンド・ウエツテイツド
電解槽用の安価で寸法安定性のよい複合陰極を請
求する。この複合陰極は、電導性母材中にうめ込
んだアーク熔融したRHM混合物の粒子又は塊を
含んでいる。母材は炭素又は黒鉛と、炭化アルミ
ニウム、炭化チタン又は窒化チタンのような粉末
化充填剤とよりなつている。しかし、かゝる電解
槽を稼動すると、電解液及び/又はアルミニウム
が、アーク熔融したRHM混合物の粒子境界並び
に炭素又は黒鉛母材の大部分を年約1cmの速度で
攻撃する。これは、陰極表面の早期破壊につなが
る。
ダス(Das)等による米国特許第4308114号は、
黒鉛母材中にRHMを使用した陰極表面を開示す
る。この場合、RHMはピツチ結合剤で作られて
おり、2350℃以上で黒鉛化してある。この陰極は
迅速な消耗(ablation)により早期に破壊しやす
く、黒鉛母材が内在化及び侵食を受ける可能性が
ある。
上記特許に加えて、多数の他の技術が、タイル
状のTiB2の使用に関している。高純度、高密度
の各種TiB2タイルが試験されたが、それらは一
般に熱衝撃抵抗性に劣り、従来の電解槽に用いる
炭素基体には結合しにくい。剥離の機構に関係す
ると思われる要因として、(1)TiB2と炭素間の熱
膨張の差がもたらす高張力、並びに、(2)タイル表
面がアルミニウムにより湿潤されることによる、
タイルとそれを正しい位置に保持する接着剤間の
界面への、アルミニウムの侵入がある。剥離に加
えて、粒子間境界へのアルミニウムの侵入によ
り、高純度タイルの場合でさえ、タイルの崩壊が
起り得る。これらの諸問題は、TiB2タイルの高
コストと共に、従来の電解槽中におけるTiB2の
広範囲の工業的使用をさまたげる新設計の電解槽
におけるTiB2の使用を限定してきた。本発明の
目的は、炭素陰極ブロツクの表面塗布用に、また
一体式陰極表面用にRHMを用いようとする過去
の試みの欠点を克服することにある。
発明の要約
本発明は改良電解槽に関する。この電解槽で
は、耐火性硬質物質(RHM)、熱硬化性結合剤
システム、炭素質充填剤及び炭素質添加剤、並び
に改質剤を含有する、炭素−RHM塗布組成物が
使用され、この組成物は炭素陰極に適用されその
場で硬化されて、炭化結合母体中にRHMを含有
する、硬くて強い陰極表面に変る。本発明の電解
槽の陰極に用いる前記組成物に使用する炭素質添
加剤として、炭素せん維−ひび割れ防止剤及び強
化剤として作用する−をあげることができる。充
分なRHMを塗布組成物に加えることにより、陰
極表面がアルミニウムによりたえず湿潤される。
従つて、この塗布組成物により、RHMの利点が
経済的、効果的に陰極に与えられ、より高価の
RHMタイルの必要がなくなる。
発明を実施するための最良の形態
耐火性硬質物質(RHM)を、特定の熱硬化性
結合剤及び他の物質と組合せて陰極構造に塗布す
ると、アルミニウム還元槽の従来の炭素内張りが
改良されることが、本発明により判明した。この
塗布陰極の使用により、構造一体性及び低コスト
などの従来型炭素内張りの利点に、RHM使用に
より得られる所望の性質が加わることになる。か
かる付加性質として、熔融アルミニウムによる被
湿潤性、熔融アルミニウム−氷晶石環境に対する
低溶解度、良好な電導性、並びに泥状物付着の減
少がある。更に、本発明は既存の還元槽に適用で
き、その場合、槽の完全な再設計のコストや時間
は必要でなく、また従来技術が提案するRHMタ
イル又はRHM混合物タイルの製造のための高コ
ストも不要である。本発明の塗布組成物はまた、
傾斜陰極を使用する槽設計にも用い得る。
本発明の思想も理解する場合、或る明確化、定
義づけを行なう必要がある。それ故、本発明に関
し、以下の定義を用いるものとする。
本発明で用いる「塗布組成物」は、RHM、炭
素質添加剤、炭素質充填剤、及び結合剤系よりな
る。本発明書では、「塗布組成物」又は「塗布材」
は、これら物質全部を含有するものとする。一
方、「コーテイング」は、乾燥、硬化、又は炭化
の状態次第で、前記物質全部を含まない場合もあ
る。何故なら、例としてミツクス液(mix
liquid)が、硬化及び炭化中に蒸発及び/又は重
合することがあり得るからである。
「耐火性硬質物質」は一般に、周期律表第〜
第族遷移金属の硼化物、炭化物、ケイ化物、窒
化物(これらはしばしば耐火性硬質物質と呼ばれ
る)、並びにそれらの混合物として定義される。
「樹脂結合剤」は、重合性及び/又は架橋性の
熱硬化性炭素物質を指すものとする。
本発明を明白ならしめるために参考として塗布
組成物についても説明しておく。
本発明で用いる「ミツクス液(mix liqud)」
は、塗布組成物中でその組成物の内容次第で色々
に機能する。塗布組成物の固体成分の容易かつ均
一な混合を可能にし、また容易に広げ得る組成物
を与えることができる。フルフラールのような或
る種のミツクス液は、塗布組成物中に添加し得る
炭素質充填剤の量を増加させることも可能であ
る。ミツクス液はまた、それが樹脂結合剤を含有
する溶剤であり、かつ/或いは樹脂結合剤そのも
の又はその一部を構成する場合には、内部結合並
びにコーテイングと炭素基体との結合を強め得
る。その理由は、溶解樹脂又は液状樹脂が、より
容易にコーテイングの被透過性成分並びに炭素基
体に侵入しそれらを含浸させることが可能だから
である。ミツクス液はまた、毛細管作用による塗
布組成物粒子間の隙間空隙への樹脂のしみ込みを
可能にする。ミツクス液は、結合剤システムの固
体部分にすでに存在する樹脂結合剤に対する単な
る溶剤として、例えば前記固体中にノボラツクが
存在するとした場合そのノボラツクを溶解し得る
メチルエチルケトンのように、作用することがで
き、硬化及び炭化の工程中に蒸発させることがで
きる。一方、ミツクス液が単なる内部キヤリアー
として存在する場合でも、硬化及び炭化中に蒸発
させることができる。また、ミツクス液は、フル
フリル、アルコールやフルフラールのように、溶
剤兼樹脂形成剤として機能することができ、この
場合、一部が加熱中に蒸発し残りは樹脂結合剤中
にとり入られる。他の場合には、ミツクス液が樹
脂結合剤そのものであり得る。例えば、樹脂結合
剤がフルフラール(普通フエノールと共に用いら
れる)、フルフリル・アルコール、又はこれらの
重合体、又はレゾールのような液体である場合が
それである。ミツクス液が、固体樹脂結合剤−例
えば、溶剤に溶解したノボラツク(溶剤部分は加
熱中に蒸発し得る)−或いは高粘度樹脂−例えば、
溶剤で稀釈した部分重合レゾール−を含有するこ
ともある。ミツクス液はまた、ガス放出剤、改質
剤及び硬化剤を含有することもある。
「結合剤システム」とは、樹脂結合剤、ミツク
ス液、そして必要なら更に、ガス放出剤、改質剤
及び硬化剤を意味するものとする。
「ガス放出剤」は液相を形成しており、コーテ
イングを通つてしみ出てついで蒸発し、それによ
りコーテイング内に小通路ができ揮発性成分の放
出が可能になるような物質をさすものとする。
「改質剤」は、樹脂結合剤に加えコーテイング
の炭化に先立ち、例えば、硬化性、電気的諸性
質、或いは物理的諸性質(曲げ強さ、衝撃強さ、
など)を改良する物質と解するものとする。
「硬化剤」とは、樹脂と共重合させるのに、或
いは樹脂が重合又は共重合し得る状態に樹脂を活
性化するのに必要な物質と解するものとする。架
橋剤又は活性化剤はこのはんちゆうに入る。殆ん
どの重合及び架橋反応に必要な触媒も同じであ
る。
「炭素質充填剤」とは、C:H比が2:1を上
まわり、大きさが−100メツシユであり、既知炭
素セメントの一成分として或いは特定炭素システ
ムの一部として存在する炭素質物質と解するもの
とする。炭素質充填剤は反応基を所有し得てかつ
完全に炭化されている必要はないが、樹脂結合剤
の場合のような自己重合は行なわない。更に、炭
素質充填剤は本質的に、メチル・エチル・ケトン
又はキノリンなどの普通使用される溶剤には不溶
である。一方樹脂結合剤は、不完全硬化状態で
は、前記溶剤に通常可溶である。
「炭素質添加剤」とは、既知炭素セメントの一
成分として或いは特定炭素システムの一部として
存在し、C:H比が2:1を上まわり、−4〜+
100メツシユの粒度範囲を有する炭素粒子凝集物
及び/又は炭素せん維を含む炭素物質であること
とする。
「炭素システム」とは、結合剤システム、炭素
質添加剤及び炭素質充填剤を指し、或いは塗布組
成物マイナスRHMを指すものとする。
「炭素セメント」とは、普通樹脂結合剤、ミツ
クス液、炭素質充填剤、並びに硬化剤を含む、商
業的に入手可能な炭素質セメント又は接着剤と解
すこととする。この場合、原料の個体部分及び液
体部分を別々に用意しておいて貯ぞう寿命を長く
もたせてもよいし、両部分をプレミツクス・セメ
ントとして一体化してもよい。本発明で使用する
場合、炭素セメント中にガス放出剤及び/又は改
質剤が存在してもよいし、それらを添加してもよ
い。市販の配合中に炭素質添加剤が存在しない場
合は、本発明使用のために、炭素セメントに炭素
質添加剤を加えるのが普通である。
改質剤として、ピツチが樹脂結合剤の一部に存
在してもよい。たゞしこの場合、ヘキサメチレン
テトラミンのような適当な硬化剤の存在が必要で
ある。かゝる硬化剤は樹脂結合剤の一成分として
既に存在していてもよいし、或いは添加してもよ
いが、このものの存在により、樹脂結合剤とピツ
チ間の架橋、或いはピツチと炭素質充填剤間の結
合、或いはピツチの大部分を占める多核芳香族同
志の自己結合が容易になる。ピツチは黒鉛前駆体
を構成することが知られているが、本発明では黒
鉛化は行なわれない。従つて、この黒鉛前駆体
は、無定形炭素前駆体である樹脂結合剤の中に分
散される。ピツチはコーテイングを通つてしみ出
てガス放出通路を作ることもあり、また適当な硬
化剤が存在する場合は樹脂結合剤及び/又は炭素
質充填剤と架橋することもある。
本発明で用いる塗布組成物は、多くの重要な目
的を達成するように構成される。まず、塗布組成
物は収縮及び膨張差に適応するようにたわみ、約
800℃(この温度で、ゆつくり加熱された塗布組
成物は充分に硬化、炭化され、硬体になる)迄の
温度に亘つて陰極基体に強固に接着する。その
後、塗布組成物の熱膨張係数は、それが塗布され
る陰極基体の熱膨張係数に極めて近い。更に、塗
布組成物の炭素含量及び樹脂結合剤のタイプは、
炭化中に生成する炭の全量が多いものである必要
がある。このことにより、大きな密閉空隙の生成
及び過剰ガスの発生が最少となる。また、炭化組
成物の炭素母材が持つ稼動中の消耗速度は、アル
ミニウム還元槽環境中でのRHMの摩耗及び溶解
の合計速度に等しいか、それよりほんの僅か大き
い。これにより、塗布表面は均一に摩耗し、
RHMがたえず塗布表面に現れている。こゝで定
義する「消耗」は、機械的、化学的の両方のメカ
ニズムによる物質の損失及びその結果起るやせ細
りを指す。純粋の黒鉛構造は、上記の点で不合格
である。何故なら、例えばナトリウムの内在化が
もたらす、黒鉛母材の異方性構造がかなり早い損
失速度を有し、また黒鉛物質の原子層間の結合が
弱いからである。これらの重要な目的を達成する
ためには、極めて特定の性質を有する炭素母体−
例えば、本発明の炭素母体は、黒鉛が有する平面
方向の弱さに対して、3次元で大きな強度を有す
る−を準備する必要のあることが判明した。
まず、塗布陰極ブロツクがさらされうる全温度
範囲に亘り接着性の強いコーテイングを得るのに
大切なことは、塗布組成物が大気温から約800℃
迄の温度範囲−この温度範囲において、塗布組成
物は揮発分を放出し、硬化及び炭化を受け、硬い
固体に変化する−に亘つて適度な寸法変化率を示
すことである。この温度範囲において、塗布組成
物はやせ細り又は圧縮、即ち垂直方向の厚さ変化
を受け、それが塗布される陰極ブロツクの正の線
状膨張に対し、容積収縮を起す。注意すべきこと
として、この温度範囲に亘り樹脂結合剤そのもの
がかなりの膨張、収縮を受けるが、この硬化、炭
化の段階の間炭素せん維がコーテイングの強化に
最も効果を示し、有害なひび割れを最少に押え細
かいひび割れのみにとどめる。これにより、応力
が低下し、コーテイングと基体間の膨張係数の差
が許容される。しかし、一旦塗布組成物が炭化し
て硬い固体になつたら、この炭化組成物の熱膨張
係数は、本質的に陰極基体のそれに等しいことが
重要である。従つて、炭化組成物の膨張率(%)
は、例えば約800℃〜約1000℃の温度範囲に亘り、
陰極基体のそれの約±0.2以内、好ましくは約±
0.1以内になくてはならない。従つて、塗布をう
けるべき陰極基体の膨張係数が約800℃〜約1000
℃℃の温度範囲に亘り+0.15%である場合には、
コーテイングは同じ温度範囲において−0.05〜+
0.35%、好ましくは+0.05〜+0.25%の膨張係数
を示す必要がある。
硬化した結合剤システムが炭化中にうける収縮
の大きさは、できるだけ小さいのが望ましい。こ
れを実現するには、炭素質樹脂を適切に選べばよ
い。即ち、その炭素質樹脂を本発明に用いたと
き、炭化によりコーテイングの破壊、陰極ブロツ
クの破壊、或いは陰極基体からのコーテイングの
分離を起さない程度の収縮を陰極基体上で示す塗
布組成物が得られるように、炭素質樹脂を選べば
よい。炭化した塗布組成物内部の垂直方向の細か
いひび割れは、許容し得る応力緩和メカニズムで
ある。炭素質添加剤及び/又は炭素質充填剤の存
在は、有益なものである。炭化結合剤システム及
び塗布組成物の収縮、膨張は、以下の方法で測定
できる。試験すべき組成物試料を作り、5cm×
1.27cm×0.64cm(深さ)のTeflon塗りの型の中
に広げる。この組成物を硬化し、冷却してから型
からとり出す。硬化物をついで4つの試験片(そ
れぞれ2.54cm×0.64cm×0.64cm)に切断し、次に
それらをアルミナのるつぼ中で250℃で恒量にす
る。その中の1つの試験片をマイクロメーターを
用いて測定し、ついで絶えずアルゴンを流した膨
張計の中で室温から1000℃に加熱した。膨張/収
縮をチヤートレコーダー上に温度の関数として連
続的に記録する。膨張/収縮の2つの値を計算す
る。1つは、始めの試験片の長さと1000℃におけ
る最後の長さと室温に戻つてからの最後の長さに
もとづくもの〔これは綜合収縮(overall
contraction)と呼ばれる〕である。チヤートレ
コーダーのチエツクとして、冷却後、試験片をマ
イクロメーターによつても測定する。全サイクル
収縮或いは綜合収縮が好ましくは約1.0%より小
さいことが望ましい。
上記の点に加えて、炭化により約25%以下の炭
生成率を与える結合剤システムを用いることが重
要であると判明した。本明細書中において炭生成
率は、単位量の結合剤システムの熱分解により生
成する安定な炭素質残渣量として定義される。各
種結合剤システムの熱重量分析の示す所による
と、炭生成量は樹脂構造の芳香族性の関数であ
る。一般に、2つ以上の部位で互いに結合してい
る炭素環が炭として残るのが普通である。はしご
状重合体は最も安定であり、水素のみを失なつて
極めて多量の炭を生じる。
本発明で用いる結合剤システムの炭生成率を測
定するには、炭素システム(即ち、結合剤システ
ムと炭素質充填剤の和)を24時間硬化させて重合
及び/又は架橋を起させ、ついで、250℃で充分
な時間加熱して揮発分、重合生成物、及び/又は
未反応液体をなくし、恒量とする。ついで、その
試料を非酸化性雰囲気中で1000℃に焼結し、残留
する炭の重量を測定する。同様にして、炭素シス
テム中の炭素質充填剤の炭量を測定し、炭素シス
テムの炭量からそれを差引き、結合剤システムの
炭重量を求める。250℃での炭素システムの重量、
並びに250℃での炭素質充填剤の既知重量から、
250℃での結合剤システムの重量を計算できる。
ついで、結合剤システムの炭生成率を、結合剤シ
ステムの炭重量並びに250℃での結合剤システム
の重量から、%として計算する。実験によると、
約25%より大き炭生成率を示す各種結合剤システ
ムは、硬化及び炭化により許容できるコーテイン
グを与えるが、炭生成率が8%の結合剤システム
は炭化により許容できない炭素母体を与えた。50
%をこえる炭生成率が好ましい。
アルミニウム槽の環境内に耐久性の塗布組成物
を作る場合必要なことは、前記環境内で炭化炭素
システムの消耗速度がRHMのそれに近いことで
ある。RHMがコーテイングからへつて行くにつ
れて、RHMの炭素母体は同様な速度或いはほん
の少しだけより早い速度で消耗し、よつてRHM
は槽環境にふれることになる。このようにして、
塗布陰極表面はRHM含量に関して本質的に一定
であり、一定性と云う尺度における槽の運転が改
善される。RHM塗布陰極を提供しようとする過
去の試みの場合は、消耗及び/又は粒子間攻撃が
起つたため、RHM又は炭素母体が他方よりも早
い速度で消耗することによる迅速な表面劣化が生
じ、塗布陰極表面二局部的にRHMが多く結合力
が不足する所とか炭素が多くRHMが不足する所
が発生した。本発明では、RHMと炭素母体が溶
解し合つてい、或いはほゞ等速度で消耗するコー
テイングを提供することにより、前記問題点を克
服する。
本発明に関して、炭素質体の加熱に関係した
「炭化」及び「黒鉛化」の意味を明確化又は区別
することが大切である。炭化は普通、炭素質体を
揮発分をおい出す目的でユニタリー・フオーム
(unitary form)又は粒状で加熱し、次第にC:
H比を増大させ次第に水素をへらすことにより、
行なわれる。炭化の工程では、温度を次第に上げ
て、泡の生成をさけるため分解生成物などの揮発
分をゆつくり発生させ、大きなひび割れの生成を
さけるため容積収縮(工程中のある時点で起る)
を漸次進行させる。硬化は約250℃迄の温度で起
ると思われているが、炭化温度は普通約250゜〜約
1000℃に亘る。たゞし、1600℃以上迄の温度を用
いることもできる。炭化を約1000℃以上迄続けて
てもよいが、存在する炭素質物質の炭化は本質的
には約800℃で終了し、樹脂結合剤は炭化して充
填剤諸物質及びRHMを耐久性構造体中に結合す
る。切期の硬化及び所期段階の炭化は普通、ガス
又はオイル加熱の従来型の輻射又は対流炉中で、
炭素への熱供給を間接的熱移動又は焔との直接接
触により行ない、実施する。或る時点で、例え
ば、約250℃より高温で、炭素質体は充分電導性
を有するようになり、所望なら抵抗加熱が可能に
なる。
注目すべきこととして、塗布組成物は、ここで
塗つたり、所望厚さ、所望平滑表面にし得る、作
業性を有するペースト状であるのが好ましい。こ
のものをゆつくりと約250℃に加熱して、重合及
び/又は架橋を起させ更に揮発分を蒸発させて、
硬化させる。約250℃の点ですでに、塗布組成物
は熱硬化状態に達し、比較的硬い物体となつてい
る。250℃を超える温度での炭化により、このも
のは主として非黒鉛化炭素よりなり、RHM、炭
素質添加剤及び炭素質充填剤を含有する硬い母体
に変る。
この物質と、ピツチ結合剤のみを有し架橋剤又
は重合化剤を有しない先行技術物質とは、区別を
要する。それ自体ではピツチは架橋又は重合を起
さないが、実際には約50℃と約500℃の間で液状
「プラスチツク」状態又は区間を通過する。この
温度範囲では、かなり大きな膨張が起りついでそ
の炭素質体は凝固(及び収縮)して硬いコークス
固体となる。一方塗布組成物は、約20℃のような
低温度で重合及び/又は架橋を始めることもあ
り、硬化時間及び塗布の厚さ次第で約250℃より
低い温度に達する迄に硬化して比較的硬い樹脂状
態になり、ついで炭化を通して次第に固くなつて
ゆく。
炭化の全加熱サイクルはやゝ時間がかゝりすぎ
る。普通炭化を行なうと、揮発分がなくなり熱分
解で生ずる揮発性反応生成物が除去される。しか
し、炭素質添加剤又は炭素質充填剤の結晶学的構
造には大きな変化は起らず、炭化樹脂は、かなり
の量の黒鉛物質或いは黒鉛微結晶含有物質を結合
しているかも知れないものの、依然として無定形
にみえる。
黒鉛化は炭化とは容易に区別される。すなわ
ち、黒鉛化はかなりより高温とより長時間を必要
とし、原子構造の変化が激しく、それを容易に観
察できる。黒鉛化においては、用いる温度は約
2000℃より少し高い温度から3000℃に亘る。代表
的な温度としては、約2400℃又は2500℃から3000
℃であるが、理由は、これらの温度が普通より高
品質の黒鉛につながるからである。加熱はむしろ
長時間、代表的には約2週間を要する。加熱は非
酸化性雰囲気の中で普通炭素中に直接電流を通し
て行ない、炭素を自身の電気抵抗により内部的に
直接加熱する。このやり方は、炭化において用い
られる従来式の炉及び加熱方式とは異なる。黒鉛
化は無定形又は一部黒鉛形の内部構造を大巾に変
えたり組替え、それにより黒鉛結晶の原子配列が
でき上る。黒鉛構造は、周知の如く密なパツキン
グを持ち、層構造を有し、特定配向の黒鉛構造配
列を示す。一般に黒鉛化は、周知の黒鉛前駆体物
質(例えばピツチ)を用いてのみ実施可能であ
る。
黒鉛と非黒鉛性又は無定形炭素との内部構造の
違いを示すには、d002寸法及びLc寸法が有用であ
る。「Lc」寸法は、「c」方向(底面に直角な方
向)における結晶又は微結晶の大きさに適用さ
れ、「d002」寸法は層間空隙である。これらの寸
法は普通X線回析技術より測定される。アール・
イー・フランクリン(R.E.Franklin)の定義に
よると、無定形炭素はd002が3.44Åであり、Lcが
3.35Åである。〔Acta Crystallographica、第3
巻、第107頁、1950年;Proceedings of the
Royal Society of London、A209巻、第196頁、
1951年;Acta Chrystallographica、第4巻、第
250頁、1951年〕黒鉛化の過程において、黒鉛前
駆体炭素の無定形構造は、黒鉛の結晶構造に変
る。この変化は、Lc寸法の増大とd002寸法の減少
により示される。無定形炭素では、Lc寸法が約10
〜約100Åの範囲にあるのが普通であるが、殆ん
どの黒鉛ではLc寸法や約350又は400Åより大き
く、代表的には400Åより上から1000Åである。
「本質的に黒鉛性の構造」と云うものもあり、こ
の場合Lcは約100Å〜約350又は400Åである。こ
の構造は時として「半黒鉛性」構造とよばれ、構
造的には上述した黒鉛を同じような原子配列及び
形状をしているが、連続する原子面の配向がいく
らか違うので、X線回析パターンが黒鉛のそれと
はいくらか異なる。双方の黒鉛構造共、d002寸法
は約3.4Åより小さい。一般に、黒鉛化を約2000
℃〜約2400℃で行なうと、「半黒鉛性」構造が生
じ易い。一方、2400℃より高い温度で行なうと、
「正常な」黒鉛構造を生じる傾向がある。
本発明によるアルミニウム槽陰極用の炭素質コ
ーテイングを製造する場合の実施可能なやり方の
一つとして、充填剤に粒状黒鉛を用い、結合剤及
び他の諸成分に添加する。これら混合物を広げ、
硬化し、炭化する。この炭化した炭素質物質は黒
鉛をいくらか含有することもあるが、その黒鉛に
より結合されてはおらず、むしろ充填剤からの黒
鉛粒子、並びに結合剤及び/又は炭素質充填剤か
ら生成した無定形炭素を含有する。本発明を実施
するに当り重要なことは、陰極の炭化コーテイン
グが黒鉛に変化しない結合剤で構成されており、
これにより炭素−RHM表面の電気及び熱伝導
度、膨張係数、消耗速度、並びに安定度が適切な
値を有していることである。
一般に、周期律表第〜第族の元素の硼化
物、炭化物、ケイ化物及び窒化物は何れも高融
点、高硬度、良好な電気及び熱伝導性を有し、熔
融アルミニウムにより湿潤をうけ、アルミニウム
及びアルミナ−氷晶石の熔融体に対し抵抗性を持
つ。比較的低コストであり、オキシ弗化物の熔融
体及び熔融アルミニウムに対する抵抗性が高いの
で、TiB2が好ましいRHMとなる。RHMの粒度
は、ミクロン以下〜約10メツシユ、好ましくはミ
クロン以下〜約−100メツシユ、最も好ましくは
約−325メツシユであるのが適当である。
TiB2又はRHM結晶間の粒子間境界を酸素不純
物の分離による攻撃をうけやすくすることが、一
般に考えられる。また、TiB2の個々の結晶中に
溶けている酸素を結晶間境界に移動させること
も、アルミニウム槽の通常の運転温度、即ち1000
℃付近で拡散法を用いることにより可能である、
と考えられる。従つて、酸素不純物は、始め
TiB2結晶表面で分離するかどうかに無関係に、
結晶間境界に移動し、それら境界を攻撃にさらさ
れやすくすることが可能である。結晶間境界の全
部分が攻撃を受けると、TiB2結晶が損失する。
現在判明している所によると、TiB2の単結晶、
TiB2の二結晶(bicystal)、散開星団状のTiB2結
晶、並びに/又は破砕及び粉砕TiB2結晶が炭素
母体と密な接触にある時は、アルミニウム槽中で
浴及び熔融アルミニウムに長期間さらされても、
ひび割れ又は崩壊を起さない。本明細書中では、
前記TiB2の形態すべてを「単結晶」なる用語に
含ませるものとする。やはり理解すべきこととし
て、説明が主にTiB2についてなされるが、他の
RHM物質も考慮され得る。これら粒子すべてに
共通した特徴として、これら粒子は普通、2つ以
上の結晶粒子間境界よりも、露出した自由結晶表
面或いは結晶割れ目をより多く有している。従つ
て、結合剤システムは、結晶表面又は破砕表面に
結合することにより、殆んどすべてのTiB2結晶
にくつつくことができる。散開星団状のより小さ
いTiB2結晶中には炭素質結合剤システムが入り
込むことができ、従つてTiB2結晶粒子間境界が
浴により攻撃されても、これらTiB2結晶は依然
として結合剤のためにコーテイング中に保たれ
る。この現象は、炭化コーテイング中の破砕片と
して観察された。TiB2は貝がら状又はガラス状
に破砕する傾向があるので、破砕片は結晶面を切
断した表面を有し、結合剤システムがかゝる表面
に対し強力な結合を形成する。
本発明に従つて作られる陰極表面の炭素及び
TiB2の両成分共ゆつくり溶解又は腐食し、その
ため新しいTiB2結晶がたえず熔融アルミニウム
にふれているようにみえる。TiB2、炭素双方共、
飽和濃度に達する迄は色々の化学メカニズムを通
して槽中で金属アルミニウムに溶解する。しか
し、飽和点を過ぎても、これら物質は不溶解粒子
或いはそれらを含む化合物として存在し得る。
TiB2及び炭素が陰極表面から損失する速度は、
温度、アルミニウム、浴、及び泥状物の運動、並
びに綜合的な浴の作用などの諸因子により左右さ
れる。TiB2粒子の一部は、アルミニウムに完全
溶解する前にアルミニウム中に持ち去られる、と
考えられている。金属アルミニウム中のTiB2濃
度は普通、槽運転温度での溶解度よりほんの僅か
だけ高いことが分つている。炭素損失速度は、
RHM含有湿潤陰極槽においては重要な要因であ
る。何故なり、陰極コーテイング中ではRHM粒
子の結合用に炭素を使つているからである。炭素
損失速度が過度になると、炭素母体中でTiB2粒
子の下部がなくなり陰極表面からのTiB2の損失
が増加する。炭素損失が少なすぎると、陰極表面
でTiB2粒子濃度が局部的に低下する部分が生じ、
ついでその部分ではアルミニウムによる湿潤が減
少する。
本発明での使用に好ましいTiB2は、代表的に
−325メツシユのものと規定される。TiB2がチタ
ン、硼素酸化物及び炭化物に対する炭素還元
(carbothermic reduction)により作られる場合
は、生成する個々の粒子は通常、単結晶と云う必
要条件を満たす。このことは、PPGインダスト
リーズのホエクジエ(Hoekje)に認可された米
国特許第4282195号に記載されたプラズマ法で作
られたTiB2に対しても、あてはまる。アーク熔
融法でTiB2を製造すると、夫々が比較的大きな
結晶の多結晶が生成するのが普通である。従つ
て、−20メツシユに破砕すると、夫夫が短かい粒
子境界のみを有する粒子が普通生成する。アーク
熔融したTiB2塊を破砕して−325メツシユの
TiB2粉末を作ると、生成粒子の各々は元の結晶
それぞれより小さく、従つて各粒子は、それより
大きな結晶(或いは、例えば2つ〜3つの結晶が
結晶間境界で結合したもの)の破砕片よりなる。
従つて、ごく僅かの結晶のみが結合剤システムか
ら離散し、それら結晶のいくつかの結晶間境界が
たとえ浴により完全に溶解されても、破壊離散す
る結晶はごく僅かである。
粉末を炭素還元して得られるTiB2は普通、
個々の結晶を余り破壊することなく−325メツシ
ユに容易に破砕し得る物質よりなつている。この
物質は、走査電子顕微鏡でみると、小さい単結
晶、散開星団状のTiB2単結晶、並びに破砕TiB2
単結晶よりなつている。
本明細書中で開示するコーテイングにおいて
TiB2を他のRHM物質でおきかえても問題ない場
合がある。たゞし、置換する時は、塗布組成物に
適切な変更を行ない、置換に由来するRHMの被
湿潤性、表面積、粒度、空隙率及び溶解度の差を
解決する。塗布組成物中にRHMを充分量加える
と、アルミニウムによる湿潤性が充分になり、熱
膨張の不釣合は最小になり、RHMの溶解速度は
コーテイングの炭素母体の損失速度より小さくな
る。本発明の説明は好ましいRHMとしてのTiB2
の使用に中心がおかれているが、適切なRHMな
ら如何なるものでも(例えば、ZrB2、RHM物質
の混合物)使用し得ると思われる。塗布組成物中
にRHMを充分量添加すると、被湿潤性が充分に
得られる。一般に、RHM塗布組成物の約10〜約
90重量%、好ましくは約20〜約70重量%を占める
ことができる。約10%以下の濃度でも被湿潤性が
得られることが判明したが、よりよい結果は、20
%以上で得られ、約35〜約60%が好ましい範囲で
ある。
本発明の樹脂結合剤は既述の規準に合格するも
のなら何でもよい。使用可能な樹脂の代表的なも
のとしては、フエノール、フラン、ポリフエニレ
ン、及び複素環各樹脂、並びにエポキシ、シリコ
ーン、アルキツド及びポリイミド各樹脂をあげる
ことができる。使用可能なフエノール樹脂の例に
は、フエノールホルムアルデヒド、フエノールア
セトアルデヒド、フエノール−フルフラール、m
−クレゾールホルムアルデヒド、及びレゾルシノ
ールホルムアルデヒド各樹脂がある。使用可能な
エポキシ樹脂としては、ビスフエノールAのジグ
リシジルエーテル、テトラクロロビスフエノール
Aのジグリシジルエーテル、レゾルシノールのジ
グリシジルエーテルなど、並びに各種エポキシノ
ボラツクがある。好ましいエポキシ樹脂には、各
種フエノールのグリシジルエーテルのようなグリ
シジルエーテル、特に二価フエノールをエピクロ
ロヒドリンと反応させて得られるもの例えばビス
フエノールのジグリシジルエーテル、並びに各種
エポキシノボラツクがある。使用可能なシリコー
ン重合体には、メチルシロキサン重合体及び混合
メチルフエニルシロキサン重合体、例えば、ジメ
チルシロキサン重合体、フエニルメチルシロキサ
ン重合体、フエニルメチルシロキサンとジメチル
シロキサンの共重合体、並びにジフエニルシロキ
サンとジメチルシロキサンの共重合体がある。複
素環樹脂の例としては、ポリベンジイミダゾー
ル、ポリキノオキサリン及びピロンがある。周知
の特定アルキツド、特にフエノールホルムアルデ
ヒドで改質したもの、並びにポリイミド樹脂を用
いることができる。フエノール樹脂及びフラン樹
脂は、比較的低コストである点から、好ましい類
の樹脂である。
フラン樹脂は、本発明の樹脂結合剤として極め
て有利に用いられる。フラン樹脂の重合用触媒と
して、各種の酸や塩基が使用されるが、フランが
他の樹脂と触媒なしで共重合し得る時には、これ
ら酸又は塩基触媒は使用しなくてもよい。適当な
酸触媒としては、各種無機及び有機酸、例えば、
塩酸、硫酸、硝酸、燐酸、ベンゼンスルホン酸、
トルエンスルホン酸、ナフタリンスルホン酸、マ
レイン酸、蓚酸、マロン酸、フタール酸、乳酸、
並びにクエン酸がある。この類の触媒には、有機
酸無水物、例えば、マレイン酸無水物やフタール
酸無水物も含まれる。使用可能な従来型酸触媒の
例には更に、尿素、チオ尿素及び置換尿素(メチ
ル尿素、フエニル尿素など)の鉱酸塩、エタノー
ルアミン(モノ−、ジ−、及びトリエタノールア
ミン)の鉱酸塩、並びにアミン(メチルアミン、
トリメチルアミン、アニリン、ベンジルアミン、
モルホリン、など)の鉱酸塩がある。好ましい酸
触媒は、Ka値が少なくとも10-3である。
適当な塩基性触媒には、アルカリ金属の水酸化
物(例えば水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、
水酸化カリウム、など)、並びにアルカリ土類金
属水酸化物(例えば、水酸化マグネシウム、な
ど)がある。他の使用可能な塩基性触媒として
は、例えば、アミン触媒があり、第1級アミン
(エチルアミン、プロピルアミン、など)、第2級
アミン(ジイソプロピルアミン、ジメチルアミ
ン、など)、第3級アミン(トリイソブチルアミ
ン、トリエチルアミン、など)などがそれであ
る。更に他の使用可能な塩基性触媒の例として、
アルカリ金属の水酸化物とアルカリ土類金属の水
酸化物との混合物(例えば、水酸化ナトリウムと
水酸化カルシウムとの混合物)がある。この種の
混合物は、思いもかけず高い炭素生成率を有する
熱硬化性結合剤を提供する。適当量の触媒又は硬
化剤が、選ぶ樹脂結合剤の種類次第で、そのもの
に加えられる。加える硬化剤の種類、その量の決
定も本技術の中に入る。
「酸硬化フラン樹脂」とは、次の樹脂を意味す
る。すなわちフリフリルアルコールの単独重合
体、フルフリルアルコールの単独重合体をフルフ
ラールで架橋したもの、フルフリルアルコールと
ホルムアルデヒドの共重合体、フルフリルアルコ
ールとフエノールの共重合体、並びに構造のどこ
かにフラン環を有し、酸触媒の添加により最終的
に硬体に硬化され得る単量体物質。
硬化剤入り組成物の樹脂化は水素イオン濃度に
より左右され、周知の通り加熱で加速される。酸
触媒の添加により起るこの反応は発熱性であるの
で、触媒の選択及びその添加量には注意を要す
る。さもないと、樹脂化が迅速に進行しすぎ、生
成物が使用不可となる。そのために、無機酸(塩
酸、硫酸、燐酸、クロム酸、など)は普通使用さ
れない。一方、無機酸塩(塩化亜鉛、硫酸水素ナ
トリウム、塩化水銀、など)はよく用いられる。
また、加熱時のみに必要な酸を生ずる潜在性酸触
媒(マレイン酸無水物、フタール酸無水物、な
ど)も同様である。
一般に、酸硬化フラン樹脂生成物中に所望性質
を得るには、有機化合物が普通好ましい。芳香族
スルホン酸の外に、芳香族スルホノクロライド
(ベンゼンスルホノクロライド、パラアセチルベ
ンゼンスルホノクロライド、など)、芳香族スル
ホン酸の脂肪族アミン塩(アンモニウム塩を含
む。アンモニウムパラトルエンスルホネート、ジ
メチルアミノベンゼンスルホネート、ジエチルア
ミノトルエンスルホネート、アンモニウムベンゼ
ンスルホネート及びジスルホネート、アンモニウ
ムフエノールスルホネート、アンモニウムナフタ
レンスルホネート及びジスルホネート、アンモニ
ウムアントラセンスルホネート及びジスルホネー
ト、アンモニウムスルフアニネート、など)、芳
香族スルホン酸の芳香族アミン塩(ベンゼンスル
ホン酸のアニリン塩、パラトルエンスルホン酸の
アニリン塩、フエノールスルホン酸のピリジン
塩、など)、無機強酸の有機塩(グリオキサルス
ルフエート、など)、クロロスルホン酸の金属塩
(クロロスルホン酸ナトリウム、クロロスルホン
酸カリウム、など)、無機強酸の脂肪族及び芳香
族塩(トリエタノールアミンクロライド、アニリ
ン塩酸塩、アンモニウムスルフアメート、ピリジ
ンサルフエート、ピリジンバイサルフエート、ア
ニリンサルフエート、など)、スルフアニル酸の
アミン塩(アニリンスルフアニレート、ピリジン
スルホネート、など)スルホン酸の第二鉄塩(フ
エリツクトリクロロベンゼン、など)、酸無水物
(無水燐酸、無水マレイン酸、など)、アルカンス
ルホン酸のアンモニウム塩(アンモニウムエタン
スルホネート、など)、スルホン酸の第二鉄塩
(フエリツクベンゼンスルホネート、フエリツク
トルエンスルホネート、など)、並びに有機置換
無機酸のアンモニウム塩(アンモニウムエチルホ
スフエート、など)がフラン樹脂用触媒として用
いられてきた。
アルカリ性触媒入りフラン結合剤の適当なもの
としては、フルフラル+フエノール、フルフラー
ル+ケトン、並びにフルフリルアルコール+アル
デヒド+アミンがある。フラン結合剤は任意にピ
ツチと混合した形の結合剤としてもよい。この結
合剤は炭素充填剤と混合することができる。結合
剤システムの改質成分として、コールタールピツ
チのようなピツチが存在してもよい。これらビツ
チから得た高沸点濃縮芳香族システムがピツチか
ら得た充填剤中に不純物としてよく見受けられ
る。フラン結合剤の中本発明での使用に適当なも
のとして、以下のもの(適当な触媒入り)があ
る。
1 フルフラールフエノール 具体例として、フ
ルフラール+フエノール。
2 フルフルール+ケトン 具体例として、フル
フラール+アセトン、又はフルフラール+シク
ロヘキサノン。
3 フルフリルアルコール+アルデヒド+アミン
具体例として、フルフリルアルコール+ホル
ムアルデヒド+尿素。
室温で比較的流動性があり適当な炭生成率を有
する、本発明での使用に適したフルフラール結合
剤の一例として、軟化点が100℃より高いコール
タールピツチ50〜75重量%と、フエノール、シク
ロヘキサノン及び式CH3−CO−R(こゝでRは炭
素数2〜4の炭化水素基である)で表わされる化
合物からなる群から選ばれる1つの物質及びフル
フラールよりなるモノマー状重合性熱硬化性分散
剤50〜25重量%と、触媒とよりなる混合物があ
る。上記式の炭化水素基は、飽和でも不飽和で
も、また直鎖でも分枝鎖でもよい。この結合剤に
適量のRHM及び炭素質充填剤を加えて、効果的
な塗布組成物とすることができる。分散剤中にコ
ールタールピツチを溶かすのに要する時間と温度
は、コールタールピツチの軟化点、分散剤の全
量、並びに使用する何種類のもの分散剤の相対量
に左右される。結合剤の早期重合を防ぐため、熱
し過ぎをさけねばならない。分散剤中にコールタ
ールピツチを溶かすのに要する時間と温度のパラ
メーターを一般的に述べることはできないが、当
業者なら容易に決定できる。このタイプの塗布組
成物の場合は、ピツチは結合剤に対する改質剤と
してでなく、望ましい高い炭生成率を有する機能
成分として作用する。
一般的に云つて、フエノールが分散剤成分の第
2成分である場合は、フルフラル対フエノールの
モル比が0.5〜2対1であるのが好ましい。シク
ロヘキサノン、前記式のメチルアリフアテイツク
ケトン、又はそれらの混合物が分散剤成分の第2
成分であるる場合は、フルフラル対シクロヘキサ
ノン、メチルアリフアテイツクケトン、又はそれ
らの混合物のモル比が1〜2対1であることが好
ましい。
本発明に使用でき現在商業的に入手可能な、ア
ルカリ触媒重合型のフラン結合剤は、商品名
「QX−362」なるクエーカー・オーツ・カンパニ
ー(Quaker Oats Company)の製品である。こ
の結合剤の主成分はフルフラルとシクロヘキサノ
ンであり、フルフリルアルコールもいくらか存在
するかも知れない、と現在思われている。
本発明に適当と思われる一群のフルフリル樹脂
は、マレイン酸又は無水マレイン酸をエチレング
リコールのようなポリヒドキシ化合物と反応させ
て得られるフルフリルアルコール共重合物であ
る。このものは、エチレン性不飽和、ポリカルボ
ン酸エステルプレポリマーを形成する。このエス
テルプレポリマーはついでフルフリルアルコール
と共重合され、フルフリルアルコール共重合体を
生じる。フルフリルアルコール共重合体は、比較
的低い揮発性、貯ぞうの容易さ、硬化時の放出水
量の少なさ、過度の収縮に対する抵抗性及び比較
的短時間の硬化反応などの諸性質の故に、有用で
ある。これらの共重合体は、他の性質、即ち硬化
後も非常に柔軟性であことによつても、本発明で
の使用に極て適当である。
後述するUCARC−34のような市販炭素セ
メントの成分として述べられるものの外に多種類
のノボラツク樹脂を本発明では基本樹脂結合剤と
して用いることができる。「ノボラツク」とは、
フエノール化合物とアルデヒヒドとの縮合物であ
り、縮合は酸触媒の存在下、普通フエノール化合
物を過剰モル使つて行なう。生成するノボラツク
樹脂中には、レゾール中に存在するようなメチロ
ール基は実際上なく、またフエノール化合物の分
子はメチレン基により結合し合つている。フエノ
ール化合物はフエノールでも、或いはベンゼン環
についている1つ以上の水素が置換基でおきかわ
つているフエノールでもよい。後者のフエノール
の例として、クレゾール、フエニルフエノール、
3,5−ジアルキルフエノール、クロロフエノー
ル、レゾルシノール、ヒドロキノン、キシレノー
ル、などがある。フエノール化合物は、ナフチル
又はヒドロキシフエナントレン或いは縮合環を有
する化合物の他のヒドロキシル誘導体であつても
よい。留意すべきこととして、ノボラツク樹脂は
それ自体では熱硬化しない。ノボラツク樹脂は硬
化剤(ホルムアルデヒド+塩基性触媒、ヘキサメ
チレンテトラミン、パラホルムアルデヒド+塩基
性触媒、エチレンジアミンホルムアルデヒド、な
ど)の存在下で硬化する。
熔融性ノボラツクであつて適当なアルデヒドと
重合し得るものならどんなものでも、本発明の目
的に使用し得る。別の云い方をすれば、ノボラツ
ク分子は重合及び/又は架橋を行い得る2つ以上
の部位を有する。この限定を離れれば、どんなノ
ボラツクも使用可能であり、その中には改質ノボ
ラツク、即ち非フエノール化合物をも分子中に含
むもの、例えばジフエニルオキサイド又はビスフ
エノールA改質フエノールホルムアルデヒドノボ
ラツクも含まれる。
普通ノボラツクは約500〜約1200の数平均分子
量を有する。たゞし、例外的にはこの分子量が
300程に小さいことも、2000以上に達することも
ある。未改質フエノールホルムアルデヒドノボラ
ツクは、約500〜約600の数平均分子量を有するの
が普通であり、市販品の殆んどはこの範囲に入
る。
本発明においては、約500〜約1200の分子量を
有するノボラツクを用いるのが好ましい。非常に
低分子量のノボラツクを用いると、ノボラツクが
軟化し粘着性になる温度が相対的に低いのが普通
である。
ピツチとノボラツクの混合物を作るには、乾式
混合法又は均一混合体を得るための加熱熔融法な
どの従来法の何れの方法を用いてもよい。前述し
た通り、この目的のために各種ピツチを使用し得
る。
ノボラツクフエノール樹脂の外に、レゾールの
使用も本発明の範囲に入る。
レゾール樹脂は、アルカリ性条件下でのフエノ
ールとアルデヒドの縮合により最も普通に製造さ
れる。レゾールとノボラツクは以下の点で異な
る。すなわちレゾールの場合多核メチロール置換
フエノールが中間体として生成する。アルカリ性
触媒中でフエノール物質を過剰のアルデヒドと反
応させてレゾールを製造する。フエノールとホル
ムアルデヒドの縮合により作られるレゾールは、
以下の構造式を有する中間体をへる可能性が非常
に強い。
代表的合成の場合、アルカリ性条件下で1モル
のフエノールと1.5モルのホルムアルデヒドを加
熱してレゾールを作る。
レゾール樹脂を作るにはフエノールとホルムア
ルデヒドの縮合によるか、より一般的には、芳香
族環に2つ又は3つの反応の反応性水素位置を有
するフエノール化合物をアルデヒド或いはフエノ
ール−アルデヒド縮合をし得るアルデヒド発生性
化合物と反応させる。フエノールの例としては、
フエノール、クレゾール、キシレノール、アルキ
ルフエノール(エチルフエノール、ブチルフエノ
ール、ノニルフエノール、ドデシルフエノール、
イソプロピルメトキシフエノール、クロロフエノ
ール、レゾルシノール、ヒドロキノン、ナフトー
ル、2,2−ビス(p−ヒドロキシフエニル)プ
ロパン、など)、並びにこれらフエノールの混合
物がある。ベンゼン環が大きな脂肪族基の置換を
うけると、本発明の効果が減じる。何故なら、こ
れら置換基は加熱時になくなり、その結果炭生成
率が減少し揮発分が増大するることがあるからで
ある。アルデヒドの例としては、ホルムアルデヒ
ド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、
アクロレイン、クロトンアルデヒド、フルフラ
ル、などがある。アルデヒド発生剤の例として
は、ヘキサメチレンテトラミンがある。アセトン
のようなケトンも、フエノール化合物と縮合して
フエノール樹脂を生成することができる。
フエノールとアルデヒドの縮合は、炭酸ナトリ
ウム、醋酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸
化アンモニウムなどのアルカリ性試薬の存在下で
行なわれる。反応終了後、所望により、水及び他
の揮発性物質は除去され、触媒は中和される。
レゾール樹脂は熱硬化性樹脂と呼ばれる。すな
わち、熱負荷の下でこの樹脂は順次重合し、最終
的には不溶性、不熔融性となり完全硬化する。本
発明用には、硬化性フエノール樹脂とは、不熔融
性になる程には重合が進んでいないものと考え
る。
フルフリルアルコールは、ミツクス液としてフ
エノール性炭素質結合剤中に使用することができ
る。このものは、フエノール樹脂の硬化と共にフ
エノール樹脂と反応するものと思われ、この樹脂
に対する改質剤として働く。フルフリルアルコー
ルの使用は好ましい。何故なら、このミツクス液
の使用により強度度の大きい結合が得られ、この
結合は他のミツクス液を使用した場合には得られ
ないことが判つているからである。従つて、例え
ば、フルフリルアルコールの代りにフルフラール
を用い他の成分は同じにして塗布組成物を作つた
場合、その結合力はフルフリルアルコールを使用
するる場合のわずか半分である。
真に必要な最終目的は本質的にRHMと炭素よ
りなる表面層を得ることであるから、結合剤シス
テムは容易に分解して残留炭の生成率の高いもの
でなければならない。樹脂結合剤としてこれら成
分は、炭素セメントの一部としてか炭素システム
としての何れであれ、塗布組成物の約1〜約40%
を占める必要がある。樹脂そのものは最高で塗布
組成物の約50重量%以上を占めることができる。
それ以上の樹脂濃度の可能であるが、それにより
利点は殆んど得られず、硬化及び炭化のサイクル
が長くなることがある。炭素システムは、陰極基
体に塗布する組成物の約10〜約90%、好ましくは
約30〜約80%、最も好ましくは約40〜約65%を占
める必要がある。
炭素とフエノール樹脂又は適当な粒度の熱硬化
性樹脂結合剤との適当な混合物を、或いは代りに
市販組成物を用いることができる。塗布組成物の
ミツクス液成分は、適当な蒸発及び硬化速度の点
から大略2〜約40重量%であればよいが、約5〜
約25%が作業可能な稠度を得るために好ましい。
塗布組成物は作業性を有しコテなどで容易に広げ
得ることが望ましい。液が不足すると組成物は乾
燥し広がらなくなり、一方液が多過ぎると硬化及
びベーキングがむつかしくなる。
塗布組成物の混合、硬化、炭化中、樹脂結合剤
の性質を改質する目的で、各種の改質剤が存在し
てもよい。これら改質剤は普通塗布組成物に対し
0〜約10重量%であることができる。フエノール
ホルムアルデヒド樹脂用の改質剤として適当なも
のには、例えば、ロジン、アニリン、共重合体、
樹脂「混合物(alloys)」、などがある。ロジン変
性フエノール樹脂は、溶解性、粘度、乾燥性の重
要な性質を併せ持つている。塗布組成物に用いる
フエノール樹脂を作る周知の方法には、フエノー
ル−ホルムアルデヒド縮合物をロジンと加熱混合
するステツプが含まれる。この場合使用する縮合
物は、アルカリ性縮合によりアルキルフエノール
から作られたものであることが好ましい。
アニリン改質フエノール樹脂を作るには、フエ
ノールホルムアルデヒド中間縮合物をアニリン又
はアニリン誘導体で、共縮合により又はフエノー
ルホルムアルデヒド縮合物とアニリンホルムアル
デヒド縮合物との混合により、処理する。アニリ
ン改質フエノール樹脂は、特に良好な電気的性質
を有する。フエノール樹脂は、塩化フエノール、
ニトロメタン、更には有機ケイ素化合物(例え
ば、シロキサン)のような物質と共重合すること
ができる。
フエノールホルムアルデヒド中間縮合物の処理
に用いる物質の一部として、エピクロロヒドリ
ン、エーテル樹脂、エチレンオキシド重合体、過
酸化水素、ケトン、メチロールアニリン塩酸塩、
ヘキサン酸の多価塩、塩化第一錫、並びにテルペ
ン−フエノール生成物がある。
更に、各種樹脂物質とフエノール樹脂との混合
物を作ることもできる。より一般的な樹脂「混合
物(alloys)」の例として、フエノール樹脂と、
エポキシ樹脂、ケトン−アルデヒド縮合物、メラ
ミン及び尿素樹脂、天然及び合成ゴム、ポリビニ
ルクロライド、並びにポリビニルアセタール樹脂
との組合せがある。
このような改質により、塗布組成物の結合剤シ
ステムの改質を大巾に行なうことが全く可能であ
る。例えば、フエノールをメタクレゾールでおき
かえると、アルコールに可溶で乾燥時間の短かい
樹脂を生じる。このような改質は、或る状況下や
硬化時間の制限がある場合には有用と思われる。
フエノールをメタアルキルフエノールでおきかえ
ると、よりゴム状、より柔軟性であるが引張り強
さは低下した樹脂となる。フエノールを置換フエ
ノール(例えば、パラターシヤリーブチルフエノ
ール)とおきかえると、油溶性樹脂を生じる。一
方、フエノールをナフタレン及びアントラセン誘
導フエノールとおきかえても、フエノールの性質
は大きく変らないが、ピツチを使用する結合剤シ
ステム中で、ピツチとの相溶性が大きくなる。ホ
ルムアルデヒドをアセトアルヒデドのような高級
アルデヒドとおきかえると、樹脂は油溶性とな
る。
フエノールホルムアルデヒドレゾールにグリセ
ロールを添加すると、使用する結合剤システムの
中で可塑剤として働く。一方、酸触媒の添加に先
立ち、アントラセン油を安定剤としてフルフリル
アルコールに添加することができる。この安定化
は、酸触媒の存在下での重合速度のコントロール
の助けになる。
或る種の特定混合物が注目に値する。例えば、
フエノール−フルフリル樹脂で改質したフエノー
ルホルムアルデヒドは平らなプラステイシテイ
ー・カーブ(plasticity curve)を有し、フエノ
ールホルムアルデヒドが示すようなゴム状態を通
過しない。従つて、フエノールホルムアルデヒド
とフエノール−フルフリルとの混合物は適当であ
る。この混合物は優れた衝撃抵抗、化学抵抗、高
温での迅速硬化、並びに充填剤に対する大きな受
容能力を有する。フエノールホルムアルデヒドと
或る種の熱可塑性樹脂との混合物は、金属への結
合に適した樹脂(例えば、金属陰極基体への使用
が考えられるような樹脂)を生じる。フエノール
ホルムアルデヒドをブタジエン/アクリロニトリ
ル共重合体ゴムと混合すると、衝撃抵抗が改良さ
れる。一方、レゾルシノールホルムアルデヒド樹
脂と混合すると反応速度が早くなり硬化温度が低
くなる。しかし、これらの樹脂は、本発明に使用
するにはやゝ高価すぎる。
しばしばピツチが、塗布組成物中に改質剤又は
結合剤として、最高50%或いは最高75%(結合剤
システムの機能成分として存在する場合)の濃度
で存在する。改質剤そのものとして存在する場合
は、ピツチは塗布組成物に対し最高10重量%の濃
度で存在することができる。
RHM及び結合剤システム(それ自体充填剤を
含むこともある)の外に、粒子状炭素を加えるこ
とが望ましい。無定形か黒鉛状の粒子状炭素が或
る程度、前述の市販炭素セメント中に存在するこ
とがよくある。無定形又は黒鉛状の粒子状炭素
を、微粉末、粗粒、又はそれらの混合物の形で更
に加えてもよい。
炭素質充填剤は、特定炭素システムや市販炭素
セメントの一成分として、或いは市販炭素セメン
トに対する添加剤として存在するのが極めて望ま
しい。これらの炭素質充填剤は−100メツシユ、
好ましくは−325メツシユであり、炭素微粉末、
黒鉛粉末、破砕コークス、破砕黒鉛、カーボンブ
ラツク、などを含むことができる。これらの微粉
末が存在すると、粒子の充填密度が改善され、樹
脂生成液体が吸い上げられ、炭化により密で高度
に結合した炭素母体が生成する。
微粉末としての炭素質充填剤は、塗布組成物の
約1〜約60%を占める必要があり、約10〜約40%
が好ましい。
炭素質添加剤又は凝集物質が存在する場合は、
そのものの大きさは−4〜+100メツシユであれ
ばよい。好ましくは、−8〜+20メツシユである。
このような粗大凝集物は明らかにミクロ的なひび
割れを与え、揮発性物質の放出を助け、収縮を低
下させ、高い炭生成率に寄与する。凝集物及び/
又はせん維の形における炭素質充填剤は、塗布組
成物の約0〜約70%占める必要があり、約5〜約
15%が好ましい。
前述した通り、ひび割れ防止剤として炭素せん
維を塗布組成物に加えるのが好ましい。炭素せん
維を使用の場合は、塗布組成物の一部組成変更が
みられた。炭素せん維を使用する場合は、ピツチ
前駆体、有機質せん維前駆体(例えば、ポリアク
リロニトリル)、或いはレーヨンから作られたも
のであることが好ましい。ピツチせん維はかなり
安価であるので、好ましい。
せん維重量は、塗布組成物に対し0〜約10重量
%であればよく、好ましくは約0.05〜約1.0%、
より好ましくは0.05〜約0.5%である。しかし、
約10%より高い濃度は比較的高価になり、それで
いて余り目立つた利益は生じない。約0.16〜1.27
cmの長さの炭素せん維が好ましい。短せん維は、
容易な混合及び塗布を可能にし、高濃度で用い得
る。ミツクス液に可溶の物質で結合した平行せん
維群よりなる結合せん維が特に好ましい。何故な
ら、このせん維は結合剤システムと最も容易に混
合するから。せん維の向きはさまざまでよく、せ
ん維は塗布組成物の必要構成要素として使用で
き、該組成物の塗布作業を容易にする。
用いる炭素充填剤を改質することもできる。こ
れに関して、多数の改質剤を充填剤に加えること
ができる。例えば炭素質充填剤にシリカを加え
て、結合剤システムに非焼結性を付与することが
できる。しかし一般に、無機充填剤は本発明に従
う作業において樹脂結合剤をより硬くし、炭生成
率を低下させる。
ガス放出剤が塗布組成物に適切に添加される
と、泡及び/又は過度に大きいひび割れの発生が
防止される。適当なガス放出剤には、可燃性油、
石けん及びワツクスがある。
可燃性油を炭素質結合剤中にガス放出剤として
用いることができる。フエノール樹脂の硬化中の
油の蒸発をさけるために、油の沸点は樹脂の硬化
温度より高いことが望ましい。その理由により、
約150℃より高い、好ましくは約200℃より高い沸
点を有する油が有用であり、約250℃より高い沸
点を有する油が特に好ましい。パラフイン油、芳
香族油及びアスフアルト油のような石油系油が好
ましいが、動植物油のような他の油も用い得る。
石油系の中では、パラフイン油が好ましい。用い
得る動植物油の例には、パーム核油、オリーブ
油、ピーナツツ油、牛脂油、綿実油、とうもろこ
し油、大豆油、などがある。塗布組成物に対し、
最高3.5重量%、好ましくは約0.4〜約2.0重量%の
量の油が適当である。
ガス放出剤として、石けんも用い得る。用いる
石けんは脂肪酸の金属塩又は第4級アンモニウム
塩なら何でもよいが、中性又は酸性第4級アンモ
ニウム石けんを用いた結合剤の方が、より一般的
な金属石けんを用いた炭素セメントより抗酸化性
が高い。従つて、非金属性石けんの使用が好まし
い。この非金属石けんを作るには、脂肪酸をトリ
エタノールアミンと反応させる。用いる脂肪酸
は、金属石けん製造に用いる脂肪酸と同様、一般
に約10〜約24の炭素数を有し、飽和、不飽和の何
れのものでもよい。使用可能な飽和脂肪酸の中に
は、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パ
ルミチン酸、ステアリン酸、アラキン酸、ベヘン
酸、テトラコサン酸、などがある。代表的な不飽
和脂肪酸としては、パルミトレイン酸、オレイン
酸、リノール酸、アラキドン酸、セトレイン酸、
エルシン酸、セラコレイン酸、などがある。石け
んの量としては、塗布組成物に対し、約0〜約15
重量%、好ましくは約0.5〜約5.0重量%が適当で
ある。
ガス放出剤として、各種ワツクスも用いられ
る。適当なワツクスには、各種石油ワツクスがあ
り、その中には、普通の各種パラフインワツクス
〔例えば精製スラツク(slack)ワツクス、発汗
(sweat)ワツクス、スケール(scale)ワツク
ス、ブロツク(block)ワツクス、並びにマイク
ロクリスタリンワツクス〕が含まれる。
好ましい結合剤システムは、ユニオン・カーバ
イドの販売になる商品名UCAR
C−34なる製
品である。この組成物は、油、石けん、微粉砕の
炭素粒子、フルフリルアルコール、ノボラツク型
のフエノール樹脂、並びに該樹脂に対する硬化剤
よりなる混合物を含むものと思われる。油、微粉
砕の炭素粒子、フエノール樹脂及びフエノール樹
脂硬化剤の混合物を得るには、炭素質粒子、フエ
ノール樹脂及びフエノール樹脂硬化剤を従来法の
何れか(例えば、タンブラー中で)により混合
し、生成する混合物中に油をふりかけ、更に混合
を続け、油を混合物中に行き渡らせ、実質的に均
一なブレンドを得る。石けんとフルフリルアルコ
ールの混合物を得るには、石けんを約100℃に加
熱して液化し、ついでこの熔融石けんをフルフリ
ルアルコールに溶解させる。冷却しても、石けん
はフルフリルアルコール中に安定溶液として溶け
ており、この溶液は、もう一つの混合物(油、微
砕状炭素質粒子、フエノール樹脂、フエノール樹
脂硬化剤)とまぜられる迄、貯ぞう可能である。
二つの混合物(一方は液体、他方は本質的に固
体)は、手動式又は機械的方法により室温で容易
に混合される。
UCAR
C−34セメントにおいては、ノボラ
ツク型の各種のフエノール樹脂を用い得る。これ
ら樹脂を製造するには、フエノール(フエノール
そのもの、m−クレゾール、p−クレゾール、o
−クレゾール、3,5−キシレノール、3,4−
キシレノール、2,5−キシレノール、p−エチ
ルフエノール、p−tert−ブチルフエノール、p
−アミルフエノール、p−tert−オクチルフエノ
ール、p−フエニルフエノール、2,3,5−ト
リメチルフエノール、レゾルシノール、など)を
アルデヒド(ホルムアルデヒド、フルフラール、
アセトアルデヒド、など)と縮合させる。実際に
は、コストの点から置換されていないフエノール
−ホルムアルデヒド樹脂を用いることができる。
ノボラツク樹脂を熱硬化状態に硬化するには、ノ
ボラツク樹脂の硬化に従来から使用している硬化
剤の何れかを用いて行なうことができる。これら
の硬化剤は、従来型のもの(パラホルムアルデヒ
ド、フルフラール、ヘキサメチレンテトラミン、
など)であり、必要に応じ適当な触媒と共に用い
る。加熱により、これら硬化剤はアルデヒドを発
生し、そのアルデヒドが樹脂と反応し樹脂に架橋
を起させる。UCAR
C−34セメント中に用い
るノボラツク樹脂の適量は、塗布組成物に対し約
0.5〜約15重量%であり、最も好ましくは約2.5〜
約8重量%である。樹脂用硬化剤は、樹脂を硬化
状態に硬化させるのに充分な量だけ、すなわち、
樹脂と反応して樹脂に架橋を生じさせるのに少な
くとも必要なホルムアルデヒドを提供し、更にそ
の反応に必要なアルカリ性触媒を提供する量だ
け、用いられる。
UCAR
C−34炭素質セメントの成分として、
各種の形態の微粉砕炭素又は黒鉛を用いることが
できる。適当な炭素質物質として、黒鉛粉、石油
コークス粉、ピツチコークス粉、焼成油煙粉、サ
ーマトミツク・ブラツク(thermatomic black)
(熱耐火物上に天然ガスを通して作る)、などがあ
る。炭素質粉の量としては、塗布組成物に対し約
1〜約60重量%、好ましくは約10〜約40重量%が
適当である。最も好ましくは、炭素質粉は、黒鉛
とサーマトミツク・ブラツクとの混合物であり、
その場合、黒鉛粉は約2〜約50重量%、サーマト
ミツク・ブラツクは約2〜約50重量%、サーマト
ミツク・ブラツクは約0.5〜約25重量%を占める。
UCAR
C−34セメント中にフルフリルアル
コールを用いるのが適当であり、該アルコールは
塗布組成物に対し約2〜約40重量%、最も好まし
くは約4〜約20重量%存在することができる。
他にも適当な炭素セメントが商業的に入手可能
であり、例えば次のものがある。UCAR
C−
38(ユニオン・カーバイド)は、UCA
C−34に
似た組成を持ち、酸化防止剤を含有している。
Stebbins AR−25−HTはフラン樹脂組成物であ
り、フルフリルアルコール、ジフルフリルエーテ
ルのような形の一部重合フラン樹脂、並びに無水
フタール酸又はその誘導体であり得る潜在性触媒
よりなつている。Stebbins AR−20−Cは、フ
ルフリルアルデヒドとともにジフルフラエーテル
のような形の一部重合フラン樹脂及び無水フター
ル酸又はその誘導体となり得る潜在性触媒を含ん
でいる。Atlas CARBO−KOREZはフエノール
樹脂組成物であり、固体中のフエノール性がノボ
ラツクにより硬化した溶剤(ミツクス液)中にと
けたフエノールノボラツク又はレゾール樹脂を含
む。この溶剤は多分、ブチルアルコールのような
脂肪族アルコールである。他の適当な炭素セメン
トとして、次のものがあげられる。Atlas
CARBO−ALKORは、フルフリルアルコール単
量体、ジフルフリルエーテルなどの一部重合体、
並びに無水フタール酸又はその誘導体であり得る
潜在性触媒を含んでいる。DYLON GCは、溶剤
としてのフルフリルアルコール、フエノールホル
ムアルデヒドと共に硬化する単量体、並びにヘキ
サメチレンテトラミン硬化剤を含む。Aremco
GRAPHI−BOND
551−Rは、フルフリルアル
コールと潜在性触媒を含んでいる。
塗布組成物は、アルミニウム槽の陰極に単層又
は多層で用いることができる。多層塗布システム
の場合は、TiB2を含まない第1結合層が炭素陰
極の空隙構造によく深く侵透するので、より強力
な結合が得られ、塗布物はより容易により早く硬
化する。更に、複数層を使用すると、TiB2含有
の最上層における収縮、ひび割れの大きさと数も
減少する。更に他の好ましい実施態様において
は、塗布組成物が普通最高約10重量%の炭素せん
維を含有することができる。炭素せん維は、ひび
割生成の防止、塗布物の強化、特に浴との接触点
における塗布物の剥離傾向の低減と云つた作用を
有する。結合層として陰極基体に用いる炭素セメ
ントは、最高40%余分に炭素質充填剤及び添加剤
を含むことができ、これは、陰極基体と結合層上
との結合力並びに結合層の諸性質を改善し、塗布
物の硬化及び炭化中に生じる応力がもたらす陰極
基体のひび割れの防止に役立つ。
本明細書で開示する塗布陰極は、従来型のアル
ミニウム槽又は陽極陰極共水平から傾斜している
槽に問題なく用いることができる。これらのアル
ミニウム槽は、先行技術文献(ルイス等の米国特
許第3400061号、ホリデーの米国特許第3661736
号、並びにペインの米国特許第4093524号)に提
案されている。それらの形状は、アルミニウムが
容易にとり出されると云う利点を有し、従つて、
アルミニウムで湿潤した陰極表面にはアルミニウ
ムの薄膜のみが残り、より狭い陽極−陰極間距離
が可能になる。しかし、商業的に使用可能な塗布
傾斜陰極、或いは陰極用RHMタイル表面を作ろ
うとする過去の試みは、成攻しなかつた。
また、本明細書で開示する概念は、非消費型陽
極を採用するるアルミニウム還元槽に対しても適
用可能である。この陽極は、白金黒のような多孔
質電導性物質よりなることができ、電解液は通さ
ず電解液に抵抗性を有するセラミツク製の酸素イ
オン伝導層により、熔融電解液と分離されてい
る。酸素イオンは酸化物層を通つて運ばれ、陽極
で放出され、酸素ガスが発生する。かゝる陽極
は、マルチネク(marcinek)の米国特許第
3562135号に開示されている。
シユミツト−ハツテイング(Schmidt−
Hatting)及びヒユイラー(Huwyler)の米国特
許第3578580号には、類似の原理に基づく陽極、
たゞし、熔融銀又は補助電解液(例えば熔融
PbO)と固体電導体又は白金を含む陽極が開示さ
れている。SnO2に基づく陽極がクライン
(Klein)の米国特許第3718550号並びにアドラー
(Adler)の米国特許第3930967号、第3960678号
及び第3974046号に開示されている。更に、デ・
ノラ(De Nora)等は、米国特許第4098669号に
おいて、Y2O3及び他の化合物よりなる電導性の
母体を持ち表面に電気触媒(electrocatalytic)
物質を有する焼結電極の使用を開示している。ホ
ール・エルーのアルミニウム電気分解用のより複
雑な酸化物陽極で、電導性を有するスピネル灰チ
タン石、デラホサイト、パイロクロア、灰重石及
び金紅石酸化物並びにこれらの混合物を使用する
陽極が、山田等に対する特許、すなわち米国特許
第4039401号、英国特許第1508876号、日本公開特
許第140411号(1977年)並びに日本公開特許第
153816号(1977年)に開示されている。
不活性陽極の利点は、ACDが短かく、槽設計
がこじんまりしており、熱損失が小さいことであ
る。不活性陽陰は今迄は初期の電気エネルギー消
費が消費型炭素陽極に比べ不利であることを示し
ていたが、不規則表面は少なく寿命はかなり長い
ので、陽極のひんぱんな取替えやそれにともなう
槽運転への影響がさけられる。
このような陽極を、本明細書で開示するアルミ
ニウム湿潤性表面を有する陰極と共に用いること
ができ、ACDの縮小及び寿命の延長と云う利点
が得られる。本明細書で開示する、RHM−炭素
塗布表面を有する、傾斜又はドレインド
(drained)陰極と組合せてかゝる陽極を使用する
場合、更に他の利点を予期し得る。
また本発明で述べる電解槽は、従来型のアルミ
ニウム槽において現在用いているものよりもかな
り薄い炭素陰極ブロツクを使用し得ると考えられ
る。塗布物寿命の延長が得られる可能性があるた
め、厚い陰極ブロツクは必要でなくなり、用いる
伝導体の温度が下り、コストの低下及び電力の節
約が大巾に得られる。更に、本発明の電解槽は、
アルミニウムに対し湿潤性を有するRHM表面層
で保護された炭素質陰極基体を使用し得る、と考
えられる。
本発明に従う塗布陰極を使用した実用規模
(105Kamp)のVSSアルミニウム還元槽を稼動さ
せると、本発明に由来する生産性の向上がたえず
みられる。以下に本願発明の実施例ではないが、
改良塗布組成物の参考実施例のブロセスの好まし
い規格を示すが、多くの類似の方法により実用性
のあるコーテイングを得ることができる。実施例
においては、コレクターバー(collecter bar)
上に陰極ブロツクを組立てセル・ラミング・プロ
セス(cell ramming process)を行なう前に、
陰極ブロツクの塗布を行なつた工業的に行なう場
合は、槽内塗布によりつき固め陰極の底面及び側
面の全部又は一部を塗布することが可能である。
ついで陰極塗布物全体を、例えば塗布陰極上にお
かれたフード付きヒーターを用いて、1回の作業
で硬化炭化させることができる。これにより時間
と塗布コストの節約がえられ、ラム・ジヨイント
(ram joint)のない完全な一体陰極が提供され、
更にベーク・イン(bake−in)の発生ガスが減
り、ベーキング工程が改良され、隙間(slots)
や側壁に改良ベークド・ラム(baked ram)が
生成する。
塗布組成物は、各陰極ブロツクが本来の位置に
設置される前に、該ブロツクに塗布し、硬化炭化
させることができる。別法として、陰極を組立て
押し固め、塗布組成物を塗り、ついで硬化するこ
とも可能である。この場合、炭化工程は槽内で行
なう。硬化は何段階にも亘つて行なつてもよい。
それにより、塗布基体は段階的に所望硬化温度に
引き上げられ、その温度で比較的硬い表面がで
き、ついで最高1100℃で炭化が行なわれる。この
場合硬化の初期においては、ミツクス液揮発分や
反応生成物のような揮発性成分が除去され、一
方、より高温(例えば250℃〜1100℃)では、架
橋化フエノール樹脂のような炭素質物質が分解
し、RHM含有の非黒鉛化性炭素質母体が残る。
この炭化は、塗布陰極基体を所望温度に加熱する
ことにより、初期硬化の直後、或いは該陰極基体
を電解槽に設置した後に行なうことができる。別
法として、塗布及び初期硬化後、炭素陰極ブロツ
クを槽内の正しい位置におき、ついで塗布陰極を
槽の始動及び運転によりベーク・イン「(bake−
in)」する。別の順序、すなわち、塗布−硬化−
炭化−組立て−設置−つき固め(ramming)も
採用可能である。
塗布面積は、陰極凹部の全内表面から陽極下の
陰極表面の10%以下(10%を含まず)に亘ること
ができる。塗布面積は、陽極直下の陰極表面の50
〜100%を占め、70〜100%が好ましい。しかし、
未塗布部分を或る程度残すのが望ましいかも知れ
ない。それにより例例えば、槽加熱及びスタート
時に、陰極ラムからの脱ガスが起り得る。
RHM塗布物は全陰極表面に連続している必要
はない。TiB2タイルの場合は、隣り合うタイル
の小間隙(1〜5mm)が熔融金属で架橋される。
同様に、炭素表面に適当な濃度でTiB2粒子が存
在する場合は、隣り合うTiB2粒子間に架橋が起
り、見掛け上連続したアルミニウム湿潤膜が生成
する。本発明の組成物の場合は、陰極基体表面中
にTiB2が20重量%存在すると、擬似アルミニウ
ム湿潤表面が生成する。表面層中のTiB2濃度は
35〜60重量%が好ましく。その場合、異物が混合
され、コーテイングの寿命が延長される。RHM
粒子の性状を改良したり、塗布組成物の組成及
び/又はコーテイング中のRHMの分布を変更す
るることにより、RHMの使用量をへらし得る。
コーテイングに生ずるひび割れは巾が5mmより小
さいこと、好ましくは1mmより小さいことが必要
である。
異なる2種TiB2を試験槽に使用した。高純度
(+99.5%)のTiB2をそれより純度の低い(98
%)TiB2でおきかえても、混合及び塗布操作に
差がみられなかつた。高純度粉末の製造には炭素
還元法を用い、より低コストの純度のより低い粉
末の製造にはアーク熔融法を用いた。
塗布厚さの最小値又は最大値はまだ規定してい
ないが、厚さが大きい方が塗膜寿命が長い。しか
し、その場合ひび割れがひどくなる傾向があり、
コスト高となる。塗膜厚さは硬化及び炭化中に塗
膜中に生じるふくれやひび割れ傾向を最少にする
ために、約1〜約1.6cmが好ましい。塗膜厚さの
最大値は、予想される槽寿命に一致すべきであ
る。すなわち、槽寿命がわずか7年と予想される
場合には、塗膜厚さは10年もつものである必要は
ない。
また、塗布組成物を単層又は複数層に塗布する
ことが考えられる。後者の場合は、硬化は各塗布
毎に行なわれる。この考えに従うと、塗布組成物
を薄層で何回も塗り、各回毎に硬化を行なうこと
により、かなりの厚さ(例えば、5cm以上)の硬
化を得ることが可能である。結合強度を最大にす
るためには、各硬化層表面を、次の層を塗る前に
例えばスカツフイング(scuffing)やワイヤーが
けにより処理する、ことが望ましいかも知れな
い。この技術により、各層塗布組成物のRHM濃
度を変えることにより、硬化中のRHM濃度を段
階的に変化させることも可能である。
各陰極ブロツクを塗布し、陰極を組立て、槽を
カツト・イン(cut in)する場合用いる一般手順
は、以下の通りである。
1 陰極ブロツクの上部表面をワイヤーがけし、
真空清掃する。
2 各陰極ブロツクの上部に型をとりつける。
3 乾燥塗布成分を混合する。
4 塗布成分及びブロツクを予熱する。
5 塗布組成物を混合する。
6 塗布組成物を薄く塗り、ブロツク表面中にし
み込ませる。
7 塗布組成物の塗りを終了し、棒を用いて塗布
物の高さを型の頂部と合せる。
8 15〜30分してから、金属こてを使つて塗布表
面をほゞ平滑にする。
9 硬化中に熱電対を挿入し、塗布ブロツクを硬
化釜に入れる。
10 硬化を行なう。
11 型をブロツクから取外す。
12 硬化ブロツクをメタルボツクス中に入れ、コ
ークスで覆い、加熱して部分炭化させる。
13 ブロツクを冷却後、コークス・ベツドからブ
ロツクを取出す。
14 コレクターバー上でブロツクをキヤストす
る。
15 各コレクター・バーアセンブリーをカソー
ド・シエル中でつき固め、側壁をつき固める。
16 過剰のつき固め物(ram)を塗布ブロツク表
面層からワイヤーがけで除去する。
17 従来の手順に従い、陰極を設置し、ベーク
し、カツトインする。
塗布組成物の均一性、作業性及び結合力は温度
で大きく左右される。塗布組成物のミツクス液及
び固体部分の予備混合温度は、夫々40〜45℃及び
30〜35℃が好ましい。予備混合温度として20〜45
℃をミツクス液及び固体部分の双方に用いたが、
大きな問題は何も生じなかつた。塗布をうける陰
極ブロツク又はその表面の温度は20〜65℃、好ま
しくは40〜50℃であることが必要である。予備混
合温度が低いと、均一な混合は得られず、塗布組
成物に作業性を持たすために余分の溶剤の添加が
必要となる。何れの場合も、塗布混合物中に小さ
くふくれが生じた。予備混合温度が高いと、塗布
組成物中で一部早期硬化が起り、作業性がおち、
炭素基体への結合力が下つた。
陰極ブロツク温度が低いと、塗布組成物を均一
に広げ、良好な結合に必要な炭素基体のぬれを得
ることができなかつた。ブロツク温度が高い場合
は、一部早期硬化が起り、塗布物が過度に収縮し
た。過度の収縮は、ひび割れ傾向並びに炭素基体
よりの剥離傾向を増加させた。
既述の如く、塗布組成物及び陰極ブロツクの予
熱処理に対しては、適用可能な或る温度範囲が存
在する。やはり留意することとして、塗布厚さは
大略0.6〜1.6cm以上に亘ることができる。好まし
い範囲を表に示す。The scope of the claims
1 To electrolytically reduce alumina to aluminum
a tank capable of wetting aluminum;
a cathode comprising a cathode substrate bonding a surface layer of
The surface layer is formed in a non-graphitized carbon matrix.
contains a refractory hard material, and the consumption rate of the carbon matrix is reduced.
The degree of abrasion of the refractory hard material during operation of the vessel is
essentially equal to the total rate of wear and dissolution, and
The surface layer is used to harden and carbonize the coated material.
obtained by twisting,
The coating material is 10 to 90% by weight of a refractory hard material;
1 to 40% by weight non-graphitized thermosetting resin binder,
1 to 60 weight with particle size smaller than 100 mesh
% carbonaceous filler particles, and more than 100 mesh
Particulate matter and/or carbon with large particle size
Contains 5-70% carbonaceous additives by weight in fiber form
tank.
2. In the tank according to claim 1, the
Characterized by the refractory hard material containing titanium diboride
tank.
3. In the tank according to claim 2, the
The surface layer is 20-70% by weight of titanium diboride, 1-40% by weight.
Amount% thermosetting resin binder, 10-40% by weight carbon
filler, and 5-15% by weight of carbonaceous additives.
By curing and carbonizing the coating material containing
The tank that can be obtained.
4 Any of claims 1 to 3
In the vessel described, the thermosetting resin binder is
Enol resin, furan resin precursor or mixture thereof
A tank containing substances.
5 Any of claims 1 to 4
In the tank described, the surface layer is heated to 800-1000°C.
A tank exhibiting an expansion rate of less than 0.2%.
6. In the tank according to claim 1, the
The cathode is a tank tilted with respect to the horizon.
7 Wet aluminum for aluminum reduction tank.
A method for producing a cathode surface that moistens the surface of the cathode, the method comprising:
10-90% by weight refractory hard material in the body, non-graphitizing heat
1 to 40% by weight thermosetting resin containing curable resin
Mixture, 1 to 1 with particle size smaller than 100 mesh
60% by weight carbonaceous filler particles, and 100% by weight
Particulate matter and/or
is 5-70% by weight carbonaceous additive in the form of carbon fiber
applying a coating composition containing the coating composition;
Cures to form a relatively hard adhesive surface layer and
The surface layer is carbonized to form a durable material in the non-graphitized carbon matrix.
Presence of flammable hard substances, adhesive, aluminum
forming a wettable surface layer;
When the expansion rate (%) is 800 to 1000℃,
Expansion rate (%) of cathode substrate and 0.2 or less (including 0.2)
z) A method characterized by different things.
8 In the method set forth in claim 7,
The coating composition is applied to a carbon cathode block outside the bath.
It is applied to the tank, cured, and then placed in the tank.
A method characterized by:
9. In the method set forth in claim 8,
The coating composition is carbonized and then placed in the tank.
A method characterized by:
10. The method according to claim 8,
The coating composition is carbonized in the bath.
How to characterize it.
11. In the method according to claim 7,
The coating composition is applied to a carbon cathode blot outside the bath.
It is then hardened and carbonized in the tank.
A method characterized by:
12. In the method according to claim 7,
The coating composition is applied to a cathode substrate in the bath.
characterized by being hardened and carbonized.
Method.
13 Any of claims 7 to 12
The method according to claim 1, wherein the coating composition
A method characterized in that the coating is applied on a composite layer.
14 Any of claims 7 to 13
The method according to claim 1, wherein the coating composition comprises multiple
A method characterized in that it is applied in several layers.
15 Any of claims 7 to 14
In the method according to claim 1, the refractory hard material is
A method involving titanium diboride.
16 In the method described in claim 15
Therefore, the titanium diboride content changes sequentially in each layer.
A method characterized by:
17 Any of claims 7 to 16
In the method according to claim 1, the thermosetting resin bond
The agent may include one or more phenolic resins, furan resins,
A method containing a resin precursor or a mixture thereof.
18 Aluminum wettability for aluminum reduction tank
a cathode, comprising a cathode substrate having a surface layer
and the surface layer is a hardened and carbonized composition.
The composition contains 10 to 90% by weight of a refractory hard material;
1-40% by weight thermosets, including non-graphitized thermosets
chemical resin binder, particle size smaller than 100 mesh
1 to 60% by weight of carbonaceous filler particles having
Particulate matter with a particle size greater than 100 mesh
5-70% by weight of charcoal in the form of carbon fibers and/or carbon fibers
Cathode containing quality additives.
19 The cathode according to claim 18
and the thermosetting resin binder comprises one or more
phenolic resin, furan resin precursor or its
A cathode containing the mixture.
20 Claims 18 or 19
At the cathode, the composition has a refractory content of 20-70% by weight.
hard material, 1-40% by weight thermosetting resin, 10-40% by weight
40% by weight carbonaceous filler, and 5-15% by weight
Cathode containing carbonaceous additive.
21 As stated in Claims 18 to 20
In the cathode, the refractory hard material is silicon diboride.
The cathode is tan.
22 The cathode according to claim 18
and the cathode is inclined with respect to the horizontal line.
very.
Background technology
The production of aluminum has traditionally been carried out by Hall Heloux.
This is done using the electrolytic reduction method. using this method
dissolves aluminum oxide into molten cryolite,
Electrolyze at 900-1000℃. This method is suitable for
Ordinary steel wall with insulating lining for flammable materials
The process is carried out in a reduction tank containing The insulating lining
Additionally, it has a carbon lining in contact with the molten components.
Ru. One or more anodes, usually made of carbon, are connected to a DC power source.
It is connected to the positive electrode of the electrolytic cell and suspended into the electrolytic cell. same
One or more conductive rods connected to the negative pole of the DC power supply are
embedded in the carbon cathode substrate, including the floor of the tank.
Therefore, the cathode substrate becomes a cathode when a current is passed through it.
Ru. Smokeless if the cathode substrate contains a carbon lining
More common than charcoal, coke, and coal tar pitch
A large number of pre-baked cathode blocks compacted together with the mixture.
It is common for the cathode substrate to be made from rock.
Ru.
In such a conventionally designed Hall-Helou electrolyzer,
This is the molten aluminum pool that forms during electrolysis.
itself acts as part of the cathode system. Cathode lining or
The average lifespan of cathode materials is 3 to 8 years, but under adverse conditions
It can be shorter at the bottom. cathode lining material
Deterioration is due to electrolyte and liquid aluminum erosion and
due to intrusion as well as intrusion of metallic sodium. this
Deterioration of carbon blocks and compacting mixtures
(rammingmix) causing expansion and deformation.
One of the problems in operating an electrolyzer is that
Conventional changes in the surface of the carbon cathode under the minium reservoir
It was more present. For example, insoluble materials (sludge or
Estimation of mud (sludge) - forming an insulating part at the bottom of the electrolytic tank
It is -. Aluminum enters the iron cathode rod.
If the iron content in the aluminum metal becomes excessive,
tap-out in more severe cases.
out) occurs. Another serious drawback of carbon cathodes
is in that it is not wetted by the aluminum
be. For this reason, molten aluminum is applied to the cathode surface.
Significantly into the metal puddle for the purpose of effective contact.
It is necessary to have a height of Aluminum like this
One problem with maintaining a reservoir of
movement and movement in molten aluminum due to electromagnetic force.
A standing wave is generated. Short circuit between aluminum and anode
To prevent this, the anode-cathode distance (ACD) should be
Must be a safe 4-6 cm for most designs
Must be. When installing any electrolytic cell
Also, the lowest ACD value exists. If it is less than that,
A large loss in current efficiency occurs, but this loss is
Back reaction under new stirring conditions
Aluminum associated with increased back reaction
Aluminum is derived from the instability of mud.
This is due to a short circuit to the anode. current is electric
The electrical resistance of the distance between the electrodes across the solution is
Reduce voltage in the range of 1.4-1.7 volts. this
is 30-60% of the voltage drop in the electrolytic cell, and
This is the biggest cause of voltage drop in the tank.
Reduces ACD and associated voltage drops
TiB as a cathode material for the purpose of2fire resistant like
Research using hard materials (RHM) began in the 1950s.
It is widely practiced. TiB2is very little
Aluminum melts into aluminum and becomes conductive.
moistened by minium. Because of this wettability
In this case, the aluminum film is directly on the RHM cathode surface.
Electrolytically deposited, eliminating the need for aluminum puddles
Become. TiB2and similar RHMs are dampened by aluminum.
hydrated, resists the corrosive environment of the reduction tank, and has excellent
Since it is an electrical conductor, one reason is to make the ACD smaller.
Electricity using RHM for the purpose of saving energy
Many tank opening designs have been proposed.
Conductive for electrolytic cells for aluminum production or refining
TiB2Use of the elements is covered by the following U.S. patents:
Described; U.S. Pat. No. 2,915,442, no.
No. 3028324, No. 3215615, No. 3314876, No. 3330756
No. 3156639, No. 3274093, No. 3400061.
Rather widespread in the past as seen in these and other patents.
Extensive research efforts further explore TiB as a conductive element2
Despite the potential benefits of using
Such compositions have gained industrial scale in the aluminum industry.
It seems that it has never been used as a model. Conventional technology
is TiB2or does not accept RHM conductive elements
These substances are stable during use in an electrolytic reduction tank.
It is associated with lack of sexuality. According to reports,
These conductive elements break down relatively quickly during use.
Ru. This destruction occurs when the self-bonded RHM structure is exposed to electrolyte.
related to exposure to aluminum and/or aluminum intrusion.
As a result, the RHM structure is decisively weak.
As a result, cracks and destruction occurred. solid
Unfavorable effects when liquid phase invades interparticle boundaries
It is well known that this may occur. example
For example, oxygen impurities tend to separate along interparticle boundaries.
RHM tiles are made of aluminum metal and/or
The cryolite bath makes it susceptible to rapid attacks. Aluminum
TiB occurring in Ni electrolyzer2Prevents tiles from collapsing
The conventional technology for
Industrially pure TiB23 times the cost of powder
contains less than 50ppm oxygen and is four times more expensive
Highly purified TiB2Powder used in tile manufacturing
It was hot. Increased cost of tiles that require processing
Raise it to the top. However, as far as is known
is TiB2An electrolytic cell using tiles is
No loss of tile adhesion or tile collapse
However, there is no example of successful long-term operation. RHM
Other possible reasons for failure of the oil and coating material
is molten aluminum or molten flux
(flux) or mechanical strength
and lack of resistance to thermal shock. Change
Another type of TiB2Coating material applied to carbon substrate
However, TiB2between the material and the carbon cathode block.
It was damaged due to the difference in thermal expansion. As far as we know,
Due to thermal expansion imbalance, bond strength problems, etc.
RHM-containing material successfully used as a commercial cathode substrate
has never existed until now.
For example, approved by Kaiser Aluminum
U.S. Patent No. 1 by Lewis et al.
No. 3400061 is drained and wetted
Electrolysis with drained and wetted cathode
Teach tank structure. In this case, the RHM cathode surface
contains more than 5% carbon and usually 10-20% by weight pitch
RHM mixture baked at 900℃ or higher with binder
It's getting more familiar. According to this patent, such
Composite cathodes have higher dimensional stability than conventional cathodes
Ru. This composite cathode coating material is suitable for use at the bottom of the electrolytic cell.
Can be packed into position. However, this technology
was later approved by Kaiser Aluminum.
U.S. Patent No. 4,093,524 to Payne
susceptible to attack by electrolytic baths, as taught in
Therefore, it has not been widely adopted.
The aforementioned U.S. Pat. No. 4,093,524 to Payne
TiB2and other RHMs on conductive substrates (such as graphite) or
requests an improved method for bonding to silicon carbide.
Ru. The cathode surface is TiB with a thickness of 0.3 to 2.5 cm.2With tiles
coming. However, such RHM tiles and carbon
Due to the large difference in thermal expansion coefficient between
A bond that is effective at any operating temperature of the cracking tank is
Difficult to form. Therefore, this bond is
Carbon reacts with carbon and carbonizes near the operating temperature of the electrolyzer.
Using the aluminum produced, RHM
Forms during operation at the interface between oil and carbon. but,
Bonds do not form until high temperatures are obtained, so the temperature step
Tiles move easily during tart operations. cathode surface
Bonding is accelerated by passing current through the surfaces, and
A thin aluminum carbide bond is formed. deer
However, if the distance between tiles is too large,
Aluminum and/or electrolyte attack occurs. Ma
If they are too close together, they will swell at operating temperatures.
corrosion occurs, resulting in rapid deterioration of the electrolyzer lining.
In addition, the operation of the electrolytic cell will be disrupted. Therefore, the above
This idea is not widely used.
Holliday is US Patent No. 3,661,736
In Drained and Wetted
Request for inexpensive and dimensionally stable composite cathodes for electrolytic cells.
seek This composite cathode is embedded in a conductive matrix.
Particles or lumps of the RHM mixture melted by the soldering arc are
Contains. Base material is carbon or graphite and aluminum carbide
powders such as titanium, titanium carbide or titanium nitride
It is more similar to a chemical filler. However, such electrolysis
When the tank is operated, electrolyte and/or aluminum
However, the grain boundary alignment of the arc-melted RHM mixture is
most of the carbon or graphite matrix at a rate of about 1 cm per year.
Attack. This leads to premature destruction of the cathode surface.
Ru.
U.S. Pat. No. 4,308,114 to Das et al.
Disclose cathode surface using RHM in graphite matrix
Ru. In this case, RHM is made with pitch binder
It is graphitized at temperatures above 2350℃. This cathode
Easy to destroy early due to rapid ablation
The graphite matrix may be subject to internalization and erosion.
be.
In addition to the above patents, numerous other technologies
TiB2Regarding the use of High purity, high density
Various types of TiB2Tiles were tested, but they were
Generally has poor thermal shock resistance and is used in conventional electrolyzers.
Difficult to bond to carbon substrates. related to the mechanism of peeling.
The following factors are considered to be: (1) TiB2heat between and carbon
High tension caused by the difference in expansion, and (2) tile surface
Due to the surface being wetted by aluminum,
between the tile and the adhesive that holds it in place
There is intrusion of aluminum into the interface. Add to peeling
In addition, due to the intrusion of aluminum into the interparticle boundaries,
tile disintegration, even with high purity tiles.
It can happen. These issues can be solved by TiB2tile height
Along with cost, TiB in conventional electrolyzer2of
Newly designed electrolyzer opens up widespread industrial use
TiB in2The use of has been limited. of the present invention
The purpose is for surface coating of carbon cathode blocks and
Past attempts to use RHM for integral cathode surfaces
The attempt lies in overcoming the shortcomings.
Summary of the invention
The present invention relates to an improved electrolytic cell. In this electrolytic cell
is a refractory hard material (RHM), thermoset binder
systems, carbonaceous fillers and carbonaceous additives, and
A carbon-RHM coating composition containing a modifier in
This composition is applied to the carbon cathode and its
Cured in-situ and contains RHM in a carbonized bond matrix
The cathode surface becomes hard and strong. Electrolysis of the present invention
Carbonaceous additives used in the composition used for the cathode of the tank
As additives, carbon fibers - anti-cracking agents and tougheners are added.
Examples include -, which acts as a curing agent. Mitsuru
By adding a sufficient amount of RHM to the coating composition,
The extreme surface is constantly wetted by aluminum.
Therefore, this coating composition provides the benefits of RHM.
Economically and effectively given to the cathode, the more expensive
Eliminates the need for RHM tiles.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Refractory hard materials (RHM), specific thermosets
applied to the cathode structure in combination with binders and other substances.
When the conventional carbon lining of the aluminum reduction tank
It has been found that the present invention provides an improvement. this
Structural integrity and low cost due to the use of coated cathodes
Benefits of traditional carbon linings such as RHM use
This results in the addition of desired properties that can be obtained more easily. mosquito
As an additional property, the coating with molten aluminum
Wettability, molten aluminum-to cryolite environment
Low solubility, good conductivity, and reduced mud build-up
There are few. Furthermore, the present invention can be applied to existing reduction tanks.
In that case, the cost and time of a complete tank redesign
is not necessary and the RHM type proposed by the prior art
high cost for manufacturing tile or RHM mixture tiles.
There is no need to strike. The coating composition of the present invention also includes:
It can also be used in tank designs using tilted cathodes.
Certain clarifications and definitions may be helpful when also understanding the idea of the invention.
There is a need for justification. Therefore, the present invention
The following definitions shall be used.
The "coating composition" used in the present invention includes RHM, carbon
from elemental additives, carbonaceous fillers, and binder systems.
Ru. In the present invention, "coating composition" or "coating material"
shall contain all of these substances. one
On the other hand, "coating" refers to drying, hardening, or carbonization.
Depending on the condition of the product, it may not contain all of the above substances.
Ru. This is because, for example, mix
liquid) evaporates and/or becomes heavy during curing and carbonization.
This is because there is a possibility that they will match.
"Refractory hard materials" are generally classified as
Borides, carbides, silicides, and nitrides of group transition metals
(these are often called refractory hard materials)
), as well as mixtures thereof.
"Resin binder" is a polymerizable and/or crosslinkable
Refers to thermosetting carbon materials.
Coated as a reference to make the invention clear
The composition will also be explained.
“Mix liquid” used in the present invention
varies in coating compositions depending on the content of the composition.
functions. Easily and evenly distributes solid components of coating compositions
Compositions that allow uniform mixing and are easily spreadable
can be given. Some like furfural
Mixtures of various types can be added to the coating composition.
It is also possible to increase the amount of carbonaceous filler.
Ru. Mix liquid also contains resin binders.
and/or the resin binder itself.
or a part of it, an inner join
and strengthen the bond between the coating and the carbon substrate.
Ru. The reason is that the melted resin or liquid resin is more
Easy to coat permeable components as well as carbon groups
Because it is possible to enter the body and impregnate them
It is. Mitsu liquid is also applied by capillary action.
Prevents the resin from seeping into the gaps between the particles of the fabric composition.
enable. The mix liquid is the solid of the binder system.
A simple addition to the resin binder already present in the body part.
For example, if novolak is present in the solid,
Can dissolve the novolac if present
Like methyl ethyl ketone, it can act
can be evaporated during the curing and carbonization process.
Wear. On the other hand, mix liquid is just an internal carrier.
evaporates during hardening and carbonization even if present as
can be done. In addition, the Mitsu liquid is completely
Frill, like alcohol and furfural,
This compound can function as both a resin-forming agent and a resin-forming agent.
In some cases, some evaporates during heating and the rest remains in the resin binder.
be taken in by. In other cases, the sap is
It can be the fat binder itself. For example, resin bonded
The agent is furfural (usually used with phenol).
), furfuryl alcohol, or
It may be a polymer or a liquid such as a resol.
That's it. mix liquid is a solid resin binder - e.g.
For example, novolac dissolved in a solvent (the solvent part is
(can evaporate in heat) - or high viscosity resins - e.g.
Contains a partially polymerized resol diluted with a solvent.
There is also. Mitsu liquids are also used as gas releasing agents, reformers
It may also contain agents and hardeners.
"Binder system" refers to a resin binder,
liquid and, if necessary, gas release agents and modifiers.
and a curing agent.
The “gas release agent” forms a liquid phase and is
seeps through the ing and then evaporates, resulting in
This creates small passageways within the coating that release volatile components.
It refers to a substance that can be released.
"Modifier" is used in coating in addition to resin binder.
Prior to carbonization, for example, hardenability, electrical properties
quality or physical properties (bending strength, impact strength,
etc.) shall be understood as a substance that improves.
“Curing agent” refers to a substance used to copolymerize with a resin.
Or activate the resin to a state where it can polymerize or copolymerize.
It shall be understood as a substance necessary for sexualization. rack
A bridging agent or activating agent falls under this category. Almost
The catalysts required for all polymerization and crosslinking reactions are the same.
Ru.
"Carbonaceous filler" means that the C:H ratio is greater than 2:1.
The circumference and size are −100 mesh, and it is a known coal.
As a component of base cement or as a specific carbon system
What is understood as a carbonaceous material that exists as part of a
shall be. The carbonaceous filler may possess reactive groups and
It does not have to be fully carbonized, but the resin binder
Self-polymerization as in the case of is not carried out. Furthermore, charcoal
Essential fillers are methyl ethyl ketone
or insoluble in commonly used solvents such as quinoline.
It is. On the other hand, the resin binder is in an incompletely cured state.
is usually soluble in the solvent.
"Carbon additive" is one of the known carbon cements.
As a component or part of a specific carbon system
present, C:H ratio greater than 2:1, -4 to +
Carbon particle aggregates with a particle size range of 100 mesh
and/or carbon material containing carbon fibers
shall be.
“Carbon system” refers to the binder system, carbon
Refers to quality additives and carbonaceous fillers, or coating materials.
Refers to product minus RHM.
"Carbon cement" is a common resin binder,
Commercial products containing storage liquid, carbonaceous fillers, and hardening agents.
Compatible with commercially available carbonaceous cements or adhesives.
I will do so. In this case, the solid part of the raw material and the liquid
Keep body parts separate to extend lifespan
You can also leave both parts together with premix cement.
It may be integrated as a component. Used in the present invention
If gas-releasing agents and/or modifications are used in the carbon cement,
Additives may be present or may be added.
stomach. In the absence of carbonaceous additives in commercial formulations,
carbon cement for use in the present invention.
It is common to add quality additives.
As a modifier, Pituchi is present in some resin binders.
may exist. In this case, hexamethylene
Requires the presence of a suitable curing agent such as tetramine
be. Such hardeners are used as a component of resin binders.
May already be present or may be added.
However, due to the presence of this substance, resin binder and pit
Bridging between pitches or bonding between pitches and carbonaceous filler
or polynuclear aromatic compounds that make up the majority of pitches.
Self-combination of aspirations becomes easier. Pituchi is a graphite precursor
However, in the present invention, black
Leading is not carried out. Therefore, this graphite precursor
is an amorphous carbon precursor that is separated into a resin binder.
be scattered. Pits seep through the coating.
It is also possible to create a gas release passage using a suitable hardener.
resin binder and/or carbon if present.
It may also crosslink with solid fillers.
The coating composition used in the present invention has many important aspects.
Constructed to achieve goals. First, the coating composition
Objects flex to accommodate differential contraction and expansion, approx.
800℃ (At this temperature, the coating assembly is slowly heated.
until the product is sufficiently hardened, carbonized, and becomes a hard body)
Adheres strongly to the cathode substrate over temperature. the
After it is applied, the coefficient of thermal expansion of the coating composition is
The coefficient of thermal expansion is very close to that of the cathode substrate. Furthermore, coating
The carbon content of the fabric composition and the type of resin binder are
The total amount of charcoal generated during carbonization must be large.
There is. This creates a large sealed air gap.
and generation of excess gas is minimized. Also, carbonized
The rate of wear of the carbon matrix of the product during operation is
Wear and dissolution of RHM in a mini reduction tank environment
equal to or only slightly greater than the total velocity of
stomach. This allows the coated surface to wear evenly and
RHM is constantly appearing on the coated surface. Set here
"Wear and tear" in this definition refers to both mechanical and chemical mechanisms.
Loss of matter and resultant thinness due to schizophrenia
refers to Pure graphite structure fails in the above points
It is. This is because, for example, internalization of sodium
The anisotropic structure of the graphite matrix results in fairly rapid loss.
It has a stalling rate, and the bond between the atomic layers of graphite material is
This is because they are weak. Achieve these important objectives
In order to
For example, the carbon matrix of the present invention has a flat surface that graphite has.
It has great strength in three dimensions compared to weakness in direction.
It turned out that it was necessary to prepare a
First, the total temperature to which the coated cathode block can be exposed is
To obtain coatings with strong adhesion over a wide range
The important thing is that the coating composition is kept at a temperature of approximately 800°C above ambient temperature.
Temperature range up to - In this temperature range, the coating composition
Objects release volatile matter, undergo hardening and carbonization, and become hard.
It exhibits a moderate dimensional change rate during its transformation into a solid.
It is to do so. In this temperature range, the coating composition
Objects become emaciated or compressed, i.e. change in thickness in the vertical direction
the positive line of the cathode block to which it is applied.
In contrast to the dimensional expansion, volumetric contraction occurs. Things to note
As, over this temperature range, the resin binder itself
undergoes considerable expansion and contraction, but during this hardening, the charcoal
During the oxidation stage, the carbon fibers strengthen the coating.
Most effective and minimizes harmful cracks
Limit it to just the cracks. This causes stress
decreases and the difference in expansion coefficient between the coating and the substrate
is allowed. However, once the coating composition carbonizes,
Once it becomes a hard solid, the thermal expansion of this carbonized composition
The coefficient is essentially equal to that of the cathode substrate.
is important. Therefore, the expansion rate (%) of the carbonized composition
For example, over a temperature range of about 800℃ to about 1000℃,
Within about ±0.2 of that of the cathode substrate, preferably about ±
Must be within 0.1. Therefore, apply
The expansion coefficient of the cathode substrate to be maintained is approximately 800℃ to approximately 1000℃.
+0.15% over the temperature range of °C.
The coating is -0.05 to + over the same temperature range.
Expansion coefficient of 0.35%, preferably +0.05 to +0.25%
It is necessary to show that
Shrinkage of the cured binder system during carbonization
It is desirable that the size of is as small as possible. child
To achieve this, the carbonaceous resin must be selected appropriately.
stomach. That is, when the carbonaceous resin is used in the present invention,
Destruction of the coating due to carbonization and cathode blots.
or damage to the coating from the cathode substrate.
Coatings that exhibit sufficient shrinkage on the cathode substrate without causing separation.
If a carbonaceous resin is chosen so that a cloth composition can be obtained
good. Vertical details inside the carbonized coating composition
Difficult cracking is an acceptable stress relaxation mechanism.
be. Presence of carbonaceous additives and/or carbonaceous fillers
Being is beneficial. Carbonized binder system and
The contraction and expansion of the coating composition was measured using the following method.
can. Prepare a sample of the composition to be tested and measure 5 cm x
Inside a Teflon-coated mold of 1.27cm x 0.64cm (depth)
spread to This composition is cured, cooled and molded.
Take it out. After the cured product, four test pieces were
Cut each piece into 2.54cm x 0.64cm x 0.64cm), then
They are brought to constant weight at 250℃ in an alumina crucible.
Ru. Place one of the test pieces on a micrometer.
The expansion was measured using a
It was heated from room temperature to 1000°C in a tensiometer. expansion/contraction
Coupling the temperature on a chart recorder as a function of temperature.
Record continuously. Calculate the two values of expansion/deflation.
Ru. One is the length of the initial test piece and the temperature at 1000℃.
the final length after returning to room temperature and the final length after returning to room temperature.
The original thing (this is an overall contraction)
contraction). Chartre
As a check for the coder, mark the specimen after cooling.
It can also be measured using an ichromator. full cycle
Shrinkage or total shrinkage preferably less than about 1.0%
Preferably small.
In addition to the above points, carbonization reduces the amount of carbon to about 25% or less.
It is important to use a binder system that provides a
It turned out to be essential. As used herein, charcoal production
The rate is the amount produced by pyrolysis of a unit amount of binder system.
It is defined as the amount of stable carbonaceous residue that forms. each
Thermogravimetric analysis of the seed binder system shows
, the amount of char produced is a function of the aromaticity of the resin structure.
Ru. generally bonded to each other at two or more sites
Usually, the carbon ring remains as charcoal. ladder
The polymer is the most stable and loses only hydrogen.
Produces extremely large amounts of charcoal.
Measuring the carbon production rate of the binder system used in the present invention
carbon system (i.e., binder system).
(sum of rubber and carbonaceous filler) is cured for 24 hours to polymerize.
and/or to cause crosslinking, then at 250°C.
volatile matter, polymerization products, and/or
Eliminate unreacted liquid to maintain constant weight. Then, that
The sample was sintered at 1000°C in a non-oxidizing atmosphere and the residual
Measure the weight of the charcoal. Similarly, carbon cis
Measure the amount of carbon in the carbonaceous filler in the carbon system.
of the binder system by subtracting it from the coal content of the system.
Find the charcoal weight. Weight of carbon system at 250℃,
and from the known weight of the carbonaceous filler at 250°C,
The weight of the binder system at 250°C can be calculated.
The charcoal production rate of the binder system is then determined by
Stem charcoal weight and binder system at 250°C
Calculate as a percentage from the weight of According to experiments,
Various binder systems exhibiting charcoal production rates greater than approximately 25%
Cortein can be tolerated by hardening and carbonization.
Binder system with 8% charcoal production
gave unacceptable carbon matrix by carbonization. 50
% or more is preferred.
Durable coating composition in aluminum tank environment
What is required is to produce carbonized carbon in the above environment
The system wear rate is close to that of RHM.
be. As RHM moves away from coating
Therefore, the RHM carbon matrix has a similar rate or
depletes at a slightly faster rate than the RHM
will be exposed to the tank environment. In this way,
Coated cathode surface is essentially constant with respect to RHM content
The operation of the tank on the scale of constancy is changed.
be good. Too much effort to provide RHM coated cathode
Attrition and/or particle-to-particle attacks
because the RHM or the carbon host is faster than the other.
rapid surface deterioration due to rapid wear and tear.
Similarly, there is a lot of RHM locally on the surface of the coated cathode, and the bonding strength
Places where there is a shortage of RHM or places where there is a lot of carbon and a lack of RHM
There has occurred. In the present invention, RHM and carbon matrix are dissolved.
Cords that intertwine or wear out at approximately the same rate
The above problems can be overcome by providing
get dressed
With respect to the present invention, related to the heating of carbonaceous bodies
Clarify or differentiate the meanings of “carbonization” and “graphitization”
It is important to do so. Carbonization usually converts carbonaceous bodies into
Unitary form for the purpose of removing volatile matter
(unitary form) or heated in granular form and gradually C:
By increasing the H ratio and gradually reducing hydrogen,
It is done. In the carbonization process, the temperature is gradually raised.
to prevent the volatilization of decomposition products, etc., to avoid foam formation.
The amount of cracks is slowly generated to prevent the formation of large cracks.
To avoid volumetric shrinkage (occurs at some point during the process)
Progress gradually. Curing occurs at temperatures up to approximately 250°C.
However, the carbonization temperature is usually about 250° to approx.
Over 1000℃. However, temperatures up to 1600℃ or higher are used.
You can also be there. Continue carbonization until approximately 1000℃ or higher
However, carbonization of the carbonaceous material present is essential.
The process ends at approximately 800℃, and the resin binder carbonizes and fills.
Combines filler materials and RHM into durable structures.
Ru. Hardening at the cut stage and carbonization at the initial stage are usually performed using gas
or in an oil-heated conventional radiant or convection oven;
Heat supply to the carbon can be achieved through indirect heat transfer or direct contact with the flame.
Do it by touching and implement it. At some point, an example
For example, at temperatures above about 250°C, carbonaceous materials are sufficiently conductive.
and allows resistance heating if desired.
Become.
Of note, the coating composition here
It can be applied to any desired thickness and smooth surface.
It is preferably in the form of a paste with commercial properties. child
Gently heat the material to about 250℃ to cause polymerization and
and/or cause crosslinking and further evaporate volatile components,
Let it harden. Already at a temperature of about 250°C, the coating composition
reaches a thermosetting state and becomes a relatively hard object.
Ru. Carbonization at temperatures above 250°C results in this
is mainly composed of non-graphitized carbon, RHM, carbon
Hard matrix containing elemental additives and carbonaceous fillers
Changes to
It contains only this material and a pitch binder, and has no crosslinking agent or
is distinguishable from prior art materials that do not have polymerizing agents.
It takes. By itself, pitucci can cause crosslinking or polymerization.
However, it actually becomes liquid between about 50℃ and about 500℃.
Pass through a "plastic" state or zone. this
In the temperature range, a fairly large expansion occurs and then
The carbonaceous material solidifies (and shrinks) to become hard coke.
Becomes a solid. On the other hand, the coating composition is
Polymerization and/or crosslinking may begin at low temperatures.
from about 250℃ depending on curing time and coating thickness.
It hardens until it reaches a low temperature and becomes a relatively hard resin-like material.
and then gradually hardens through carbonization.
go.
The entire heating cycle for carbonization takes too long.
Ru. Normal carbonization eliminates volatile matter and heat content.
Volatile reaction products produced in the solution are removed. deer
and the crystallographic structure of the carbonaceous additive or carbonaceous filler.
No major changes occurred in the structure, and the carbonized resin changed considerably.
Combine the amount of graphite material or graphite microcrystal-containing material
Although it may be, it is still amorphous.
It looks like
Graphitization is easily distinguished from carbonization. Sunawa
However, graphitization requires significantly higher temperatures and longer times.
The atomic structure changes rapidly and is easily observed.
I can understand it. In graphitization, the temperature used is approximately
The temperature ranges from slightly higher than 2000℃ to 3000℃. representative
The temperature is approximately 2400℃ or 2500℃ to 3000℃.
℃, but the reason is that these temperatures are higher than normal.
This is because it leads to quality graphite. Rather than heating
It takes a long time, typically about two weeks. No heating
Passing an electric current directly through ordinary carbon in an oxidizing atmosphere
and internally binds carbon due to its own electrical resistance.
Heat directly. This method is used in carbonization.
This is different from traditional furnace and heating methods. graphite
This is a major change in the amorphous or partially graphite internal structure.
The atomic arrangement of graphite crystals is
It's done. As is well known, the graphite structure is a dense packing.
It has a graphite structure with a layered structure and a specific orientation.
Indicates a column. In general, graphitization is performed using a well-known graphite precursor.
This can only be done using quality (e.g. pitch).
Ru.
Internal structure of graphite and non-graphitic or amorphous carbon
To show the difference, d002Dimensions and Lcdimensions are useful
Ru. "Lc” dimensions are in the “c” direction (perpendicular to the bottom)
applied to the size of crystals or microcrystals in
, ``d002” dimensions are interlayer voids. These dimensions
The method is usually measured by X-ray diffraction techniques. R·
In the definition of R.E.Franklin
According to d002is 3.44Å, and Lcbut
It is 3.35 Å. [Acta Crystallographica, 3rd
Volume, page 107, 1950; Proceedings of the
Royal Society of London, Volume A209, Page 196,
1951; Acta Chrystallographica, Volume 4, No.
250 pages, 1951] In the process of graphitization, before graphite
The amorphous structure of precursor carbon transforms into the crystalline structure of graphite.
Ru. This change is LcIncrease in dimension and d002Dimension reduction
It is shown by. For amorphous carbon, LcDimensions are approximately 10
It is usually in the range of ~100Å, but most
In which graphite Lcdimensions or larger than approximately 350 or 400Å
It is typically 1000 Å from 400 Å onwards.
There is also something called ``essentially graphitic structure'';
If Lcis about 100 Å to about 350 or 400 Å. child
The structure of
Structurally, the graphite described above has a similar atomic arrangement and
shape, but the orientation of consecutive atomic planes is
The X-ray diffraction pattern is different from that of graphite.
are somewhat different. Both graphite structures, d002size
is smaller than about 3.4 Å. Generally, graphitization is about 2000
℃ to about 2400℃, a “semigraphitic” structure is produced.
Easy to do. On the other hand, if carried out at a temperature higher than 2400℃,
It tends to produce a "normal" graphitic structure.
Carbonaceous core for aluminum tank cathode according to the present invention
of possible methods of manufacturing
For one, granular graphite is used as a filler, and a binder and
and other ingredients. Spread these mixtures,
Hardens and carbonizes. This carbonized carbonaceous material is black.
Although it may contain some lead, the graphite
Not more combined, but rather black from the filler
Lead particles and binders and/or carbonaceous fillers
Contains amorphous carbon produced from carrying out the invention
The important thing is that the carbonized coate of the cathode
The material is made of a binder that does not turn into graphite.
This improves electrical and thermal conductivity on the carbon-RHM surface.
temperature, expansion coefficient, wear rate, and stability.
It means that it has value.
In general, boration of elements in groups 1 to 3 of the periodic table
All substances, carbides, silicides, and nitrides have high melting properties.
point, high hardness, good electrical and thermal conductivity,
Aluminum is moistened by molten aluminum.
and has resistance to alumina-cryolite melts.
Two. Relatively low cost and melting of oxyfluoride
High resistance to aluminum and molten aluminum
So, TiB2is the preferred RHM. RHM granularity
is less than a micron to about 10 mesh, preferably micron.
less than or equal to about -100 meters, most preferably
Approximately -325 meshes is suitable.
TiB2or oxygen impurity at the interparticle boundaries between RHM crystals.
The first thing to do is to make objects more susceptible to attack by separating them.
generally considered. Also, TiB2in the individual crystals of
Transfer of dissolved oxygen to intercrystalline boundaries
Also, the normal operating temperature of the aluminum tank, i.e. 1000
This is possible by using the diffusion method at around ℃.
it is conceivable that. Therefore, oxygen impurities initially
TiB2Regardless of whether they separate at the crystal surface,
Move to intercrystalline boundaries and expose those boundaries to attack
It is possible to make it easier to All of the intercrystalline boundaries
When a part is attacked, TiB2Crystals are lost.
According to what is currently known, TiB2single crystal of
TiB2bicystal, open cluster TiB2Conclusion
TiB crystals and/or crushed and ground TiB2crystal is carbon
in an aluminum bath when in close contact with the parent body.
Even after long-term exposure to baths and molten aluminum,
Will not crack or collapse. In this specification,
Said TiB2The term "single crystal" refers to all forms of
shall be included. After all, it is important to understand
The explanation is mainly TiB2is made about, but other
RHM materials may also be considered. all these particles
A common feature is that these particles usually have two or more
The free crystal surface exposed above the intergrain boundaries
It has more planes or crystal cracks. obey
The binder system is applied to the crystal surface or fracture surface.
By combining almost all TiB2crystal
You can peck at it. Smaller open clusters
TiB2A carbonaceous binder system is contained within the crystal.
TiB2The boundaries between crystal grains
Even if attacked by a bath, these TiB2the crystal is still
retained during coating for binder as
Ru. This phenomenon is caused by crushed pieces in the carbonized coating.
It was observed that TiB2shell-like or glass-like
Since there is a tendency to fracture, the fragments cut the crystal planes.
Surfaces with cut surfaces and bonding agent systems
form a strong bond with
Carbon and carbon on the surface of the cathode made according to the present invention
TiB2Both components slowly dissolve or corrode, and the
For new TiB2Aluminum crystals constantly melt
It looks like it's touching. TiB2, both carbon,
Various chemical mechanisms are used until saturation concentration is reached.
and dissolve it in metal aluminum in a tank. deer
However, even after the saturation point, these substances remain as insoluble particles.
Alternatively, they may exist as compounds containing them.
TiB2and the rate at which carbon is lost from the cathode surface is
Temperature, aluminum, bath, and mud motion,
It depends on various factors such as
It will be done. TiB2Some of the particles are completely attached to the aluminum
carried away in the aluminum before melting.
It is considered. TiB in metal aluminum2dark
The solubility is usually only slightly lower than the solubility at the tank operating temperature.
I know that it is only expensive. The carbon loss rate is
is an important factor in wet cathode cells containing RHM.
Ru. This is because RHM grains in the cathode coating
This is because carbon is used to bond children. carbon
When the loss rate becomes excessive, TiB in the carbon matrix2grain
The lower part of the cathode is gone and TiB is removed from the cathode surface.2loss of
increases. If the carbon loss is too low, the cathode surface
TiB2There are areas where the particle concentration decreases locally,
Then, the moisture caused by aluminum is reduced in that area.
Do a little.
TiB preferred for use in the present invention2is typically
−325 mesh. TiB2Chita
Carbon reduction for boron, boron oxides and carbides
(carbothermic reduction)
The individual particles produced are usually single crystals.
Meet the requirements. This means that PPG Industrial
Rice licensed to Hoekje in Leeds
Made using the plasma method described in National Patent No. 4282195.
TiB2This also applies to . arc melt
TiB by fusion method2When manufacturing , each is relatively large.
Polycrystals of crystals are usually formed. obey
When crushed into −20 mesh pieces, the short grains
Particles with only child boundaries are commonly generated. arc
Molten TiB2Crush the lump to -325 mesh
TiB2When powder is made, each of the resulting particles is the original crystal.
each smaller, so each particle is smaller than that
Large crystals (or, for example, two or three crystals)
It consists of fragments of crystals (bound together at intercrystalline boundaries).
Therefore, only a few crystals are part of the binder system.
are discrete, and some intercrystalline boundaries of these crystals are
Even if it is completely dissolved by the bath, the fracture will be dispersed.
There are very few crystals.
TiB obtained by carbon reduction of powder2is normal,
-325 mesh without destroying individual crystals too much
It consists of materials that can be easily crushed. this
When viewed under a scanning electron microscope, the substance appears as small single crystals.
crystal, open cluster TiB2Single crystal and crushed TiB2
It is made of single crystal.
In the coating disclosed herein
TiB2In cases where there is no problem in replacing RHM with other RHM substances,
There is a case. However, when replacing, please add to the coating composition.
Make appropriate changes to reduce the RHM exposure resulting from the substitution.
Differences in wettability, surface area, particle size, porosity and solubility
solve. Add sufficient amount of RHM to the coating composition
, the wettability of the aluminum is sufficient, and the heat
The expansion unbalance is minimized and the dissolution rate of RHM is
less than the loss rate of the carbon matrix of the coating.
Ru. The description of the invention is based on TiB as a preferred RHM.2
Although the focus is on the use of
(e.g., ZrB2, RHM material
mixtures) may be used. In coating composition
Adding a sufficient amount of RHM to the water will result in sufficient wettability.
can get. Generally, from about 10 to about
90% by weight, preferably about 20 to about 70% by weight
be able to. Wettability is low even at concentrations below approximately 10%.
It turns out that better results are obtained with 20
% or more, with a preferred range of about 35 to about 60%.
be.
The resin binder of the present invention passes the aforementioned criteria.
Anything is fine. Typical resins that can be used
Examples include phenols, furans, and polyphenylenes.
and heterocyclic resins, as well as epoxy, silicon
Examples of resins include carbon, alkyd, and polyimide resins.
be able to. Examples of usable phenolic resins
is phenol formaldehyde, phenol formaldehyde
Cetaldehyde, phenol-furfural, m
-cresol formaldehyde and resorcinol
There are formaldehyde and formaldehyde resins. usable
As an epoxy resin, bisphenol A jig
Lycidyl ether, tetrachlorobisphenol
diglycidyl ether of A, di-glycidyl ether of resorcinol
Glycidyl ether, etc., and various epoxyno
There is boratsuku. Preferred epoxy resins include each
glycidyl ethers of seed phenols.
Sydyl ethers, especially dihydric phenols, are
Products obtained by reacting with lohydrin, such as bis
Phenol diglycidyl ether and various other
There is epoxy novolac. available silicone
Polymers include methylsiloxane polymers and mixtures.
Methylphenylsiloxane polymers, e.g.
Chylsiloxane polymer, phenylmethylsiloxa
polymer, phenylmethylsiloxane and dimethyl
Copolymers of siloxane and diphenylsiloxane
There is a copolymer of siloxane and dimethylsiloxane. multiple
An example of a ring resin is polybenzimidazole.
ole, polyquinoxaline and pyrone. well known
Certain alkyds, especially phenol formalde
Uses those modified with hydride and polyimide resins.
I can be there. Phenol resin and furan tree
Fats are a preferred class of fats due to their relatively low cost.
It is a resin.
Furan resin is an excellent resin binder for the present invention.
It can be used advantageously. Furan resin polymerization catalyst and
Various acids and bases are used for this purpose, but furan is
When it can be copolymerized with other resins without a catalyst, this
Acid or base catalysts may not be used. Appropriate
Acid catalysts include various inorganic and organic acids, e.g.
Hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, benzenesulfonic acid,
Toluenesulfonic acid, naphthalenesulfonic acid,
Leic acid, oxalic acid, malonic acid, phthalic acid, lactic acid,
There is also citric acid. This type of catalyst includes organic
Acid anhydrides, such as maleic anhydride and phthalate
Also includes acid anhydrides. of conventional acid catalysts available
Examples also include urea, thiourea and substituted ureas (meth
mineral acid salts of lurea, phenyl urea, etc.), ethanol
amines (mono-, di-, and triethanolamines)
mineral acid salts of amines (mine), as well as amines (methylamine,
trimethylamine, aniline, benzylamine,
There are mineral acid salts of morpholine, etc.). preferred acid
The catalyst has a Ka value of at least 10-3It is.
Suitable basic catalysts include alkali metal hydroxides.
substances (e.g. lithium hydroxide, sodium hydroxide,
potassium hydroxide, etc.) and alkaline earth gold
hydroxides (e.g. magnesium hydroxide, etc.)
). Other usable basic catalysts
For example, there are amine catalysts, and primary amines
(ethylamine, propylamine, etc.), secondary
Amines (diisopropylamine, dimethylamine
), tertiary amine (triisobutylamine, etc.), tertiary amine (triisobutylamine, etc.),
amine, triethylamine, etc.).
Ru. Further examples of basic catalysts that can be used include:
Alkali metal hydroxides and alkaline earth metal waters
Mixtures with oxides (e.g. sodium hydroxide and
mixture with calcium hydroxide). this kind of
The mixture has an unexpectedly high carbon production rate
A thermosetting binder is provided. Appropriate amount of catalyst or hard
Depending on the type of resin binder you choose,
added to. Determine the type and amount of hardening agent to add.
This technology is also included in this technology.
"Acid-cured furan resin" means the following resin:
Ru. i.e. homopolymerization of frifuryl alcohol
furfuryl alcohol, a homopolymer of furfuryl alcohol
cross-linked with Ral, furfuryl alcohol and
Formaldehyde copolymer, furfuryl alcohol
copolymer of alcohol and phenol, and its structure
Crab has a furan ring, and by adding an acid catalyst, the final
A monomeric substance that can be hardened into a hard body.
Resinization of compositions containing curing agents depends on the hydrogen ion concentration.
As is well known, it is accelerated by heating. acid
This reaction, which occurs with the addition of a catalyst, is exothermic.
Therefore, care must be taken in selecting the catalyst and the amount added.
Ru. Otherwise, resinization will proceed too quickly and the
product becomes unusable. For this purpose, inorganic acids (salts)
acids, sulfuric acid, phosphoric acid, chromic acid, etc.) are commonly used.
Not possible. On the other hand, inorganic acid salts (zinc chloride, sodium hydrogen sulfate)
Thorium, mercury chloride, etc.) are commonly used.
In addition, latent acid catalysts generate the necessary acid only during heating.
media (maleic anhydride, phthalic anhydride, etc.)
) is also similar.
In general, the desired properties in acid-cured furan resin products
Organic compounds are usually preferred. aromatic
In addition to sulfonic acids, aromatic sulfonochlorides
(benzenesulfonochloride, paraacetyl bene
aromatic sulfonochloride, etc.), aromatic sulfonochloride, etc.)
Aliphatic amine salts of fonic acid (including ammonium salts)
nothing. Ammonium paratoluene sulfonate, di
Methylaminobenzene sulfonate, diethyla
Minotoluene sulfonate, ammonium benzene
sulfonates and disulfonates, ammonium
Muphenol sulfonate, ammonium naphtha
Rensulfonate and disulfonate, ammonia
Umanthracene sulfonate and disulfone
ammonium sulfaninate, etc.), aromatic
Aromatic amine salts of aromatic sulfonic acids (benzenesulfonic acid)
Aniline salt of fonic acid, paratoluenesulfonic acid
Aniline salt, pyridine of phenolsulfonic acid
salts, etc.), organic salts of strong inorganic acids (Glyoxalus
sulfate, etc.), metal salts of chlorosulfonic acid
(sodium chlorosulfonate, chlorosulfone
potassium acids, etc.), aliphatic and aromatic inorganic strong acids
family salts (triethanolamine chloride, anili
ammonium hydrochloride, ammonium sulfamate, pyridine
sulfate, pyridine bisulfate,
niline sulfate, etc.), sulfanilic acid
Amine salts (aniline sulfanilate, pyridine
ferric salts of sulfonic acids (sulfonates, etc.)
Erythmic trichlorobenzene, etc.), acid anhydrides
(phosphoric anhydride, maleic anhydride, etc.), Arcanth
Ammonium salt of sulfonic acid (ammonium ethane
sulfonates, etc.), ferric salts of sulfonic acids
(Felitsuku benzene sulfonate, Felitsuku benzene sulfonate, Felitsuku benzene sulfonate,
toluenesulfonate, etc.), as well as organic substitutions
Ammonium salts of inorganic acids (ammonium ethylphosate)
sulfate, etc.) are used as catalysts for furan resins.
I've been bored.
Suitable furan binder containing alkaline catalyst
as furfural + phenol, furfural
furfuryl alcohol + ketone, and furfuryl alcohol + alcohol
There is dehyde + amine. Furan binder optionally
It may also be used as a binder in a mixed form. This conclusion
The mixture can be mixed with carbon filler. join
Coal tarpit as a modifying component in agent systems
There may be pitches such as chi. These bits
Is the high-boiling concentrated aromatic system obtained from
It is often found as an impurity in fillers obtained from
Ru. Among the furan binders suitable for use in the present invention are
The following (containing a suitable catalyst) are available as follows:
Ru.
1 Furfural phenol As a specific example, furfural phenol
Lefural + phenol.
2 Furfleur + Ketone As a specific example, furfur
Furfural + Acetone or Furfural + Siku
Lohexanone.
3 Furfuryl alcohol + aldehyde + amine
As a specific example, furfuryl alcohol + hol
Mialdehyde + urea.
It is relatively fluid at room temperature and has a suitable carbon production rate.
Furfural linkages suitable for use in the present invention
An example of an agent is coal with a softening point higher than 100℃.
50-75% by weight of tarpitz, phenol, and
lohexanone and formula CH3-CO-R (here R is carbon
is a hydrocarbon group with a prime number of 2 to 4)
one substance selected from the group consisting of compounds and
Monomeric polymerizable thermosetting dispersion consisting of fural
There is a mixture consisting of 50-25% by weight of agent and catalyst.
Ru. The hydrocarbon group in the above formula can be saturated or unsaturated.
It may also be a straight chain or a branched chain. This binder
Effective by adding appropriate amount of RHM and carbonaceous filler
A coating composition can be obtained. Co in the dispersant
Time and temperature required to melt tar tarpitz
is the softening point of coal tar pitch, the total
amount, as well as the relative amounts of different dispersants used.
depends on. Heat is applied to prevent premature polymerization of the binder.
We must avoid overdoing it. Coulter in dispersant
Parameters of time and temperature required to melt Lupituchi
Although it is not possible to describe meters in general,
This is an easy decision for a business owner. This type of coating set
In the case of composites, Pituchi is used as a modifier for the binder.
The ability to have a desirable high charcoal production rate without
Acts as an ingredient.
Generally speaking, phenol is the first dispersant component.
If there are two components, furfural vs. phenol.
Preferably, the molar ratio is between 0.5 and 2:1. Siku
Lohexanone, a methyl aliquot of the above formula
A ketone, or a mixture thereof, is the second dispersant component.
furfural vs. cyclohexa, if any
Non, methyl aliphatate ketone, or
It is preferred that the molar ratio of the mixture is 1 to 2:1.
Delicious.
currently commercially available materials that can be used in the present invention.
The product name of the furan binder for lukali-catalyzed polymerization is
“QX-362” Quaker Oats Company
- (Quaker Oats Company) product. child
The main components of the binder are furfural and cyclohexano
and some furfuryl alcohol is also present.
It is currently believed that this may be the case.
A group of furfuryl resins deemed suitable for the present invention
is maleic acid or maleic anhydride mixed with ethylene
React with polyhydroxy compounds like Recall
It is a furfuryl alcohol copolymer obtained by
Ru. This stuff is ethylenically unsaturated, polycarboxylic
form a phosphoric acid ester prepolymer. This S
The terprepolymer is then added to furfuryl alcohol.
Copolymerized with furfuryl alcohol copolymer
arise. Furfuryl alcohol copolymer compared
Low volatility, ease of storage, and release of water during curing
Low volume, resistance to excessive shrinkage and comparison
It is useful because of its properties such as short curing reaction.
be. These copolymers have other properties, namely hardening
The present invention is also very flexible.
It is very suitable for use.
Commercially available carbon cell such as UCARC-34 mentioned below
There are many types of ingredients in addition to those mentioned as ingredients of ment.
In the present invention, the novolak resin is used as the basic resin binder.
It can be used as What is “Novolatsk”?
It is a condensate of a phenol compound and an aldehyde.
The condensation is usually a phenol compound in the presence of an acid catalyst.
Do this by using excess moles of a substance. Generate novolak
In the resin, methyl
There are practically no phenol groups, and the fraction of phenolic compounds is
The children are linked together by methylene groups. Fueno
The ring compound may be a phenol or a benzene ring.
If one or more attached hydrogens are replaced by a substituent
It may also be phenol. the latter phenol
Examples include cresol, phenylphenol,
3,5-dialkylphenol, chlorophenol
resorcinol, hydroquinone, xylenol
There are many examples. Phenol compound is naphthyl
or hydroxyphenanthrene or having a condensed ring
Even if other hydroxyl derivatives of the compound
good. It should be noted that novolak resin
It does not heat cure by itself. Novolac resin is hard
oxidizing agent (formaldehyde + basic catalyst, hexame
Tylenetetramine, paraformaldehyde + base
catalyst, ethylenediamine formaldehyde, etc.
hardens in the presence of
A meltable novolac with a suitable aldehyde
Anything that can be polymerized is considered within the scope of the present invention.
It can be used in many ways. To put it another way, Noboratsu
Two or more molecules that can be polymerized and/or crosslinked
It has parts of What kind of things can happen if we leave this limitation?
Boracs can also be used, some of which include modified novo
lactate, that is, non-phenolic compounds are also included in the molecule.
such as diphenyl oxide or bisphenyl oxide.
Enol A modified phenol formaldehyde novo
Also includes racks.
Usually novolac has a number average molecular weight of about 500 to about 1200.
have a quantity. However, in exceptional cases, this molecular weight is
It can be as small as 300 or as high as 2000 or more.
be. Unmodified phenol formaldehyde novola
Tsuku has a number average molecular weight of about 500 to about 600.
is normal, and most commercially available products fall within this range.
Ru.
In the present invention, a molecular weight of about 500 to about 1200 is used.
It is preferable to use a novolak having the following properties. very
When using a low molecular weight novolak, the novolak
The temperature at which it softens and becomes sticky is usually relatively low.
It is.
To make a mixture of pituti and novolatsk, dry
Mixing method or heating melting method to obtain a homogeneous mixture
Any conventional method may be used. mentioned above
As mentioned above, various pitches can be used for this purpose.
Ru.
In addition to novolac phenolic resin, resol
Uses also fall within the scope of the invention.
Resol resins are phenolic under alkaline conditions.
most commonly produced by the condensation of alcohols and aldehydes.
It will be done. Resol and Novolac differ in the following points:
Ru. In other words, in the case of resols, polynuclear methylol substitution
Phenol is produced as an intermediate. alkalinity
The phenolic material is reacted with excess aldehyde in the catalyst.
Accordingly, resol is manufactured. Phenol and hol
The resol made by condensation of maldehyde is
There is a strong possibility that an intermediate with the following structural formula will be lost.
Strong against
For a typical synthesis, 1 mol under alkaline conditions.
of phenol and 1.5 mol of formaldehyde are added.
Heat it to make resol.
Phenol and formua are used to make resol resin.
by condensation of rudehydes or, more generally, aromatic
having two or three reactive hydrogen positions on the group ring
phenol compound to aldehyde or phenol
Aldehyde-generating ability that can undergo alcohol-aldehyde condensation
React with a compound. An example of phenol is
Phenol, cresol, xylenol, alkyl
Luphenol (ethylphenol, butylphenol)
ol, nonylphenol, dodecylphenol,
Isopropylmethoxyphenol, chlorophenol
resorcinol, hydroquinone, naphthol
2,2-bis(p-hydroxyphenyl)
lopane, etc.) and mixtures of these phenols.
There are things. The benzene ring allows for the substitution of large aliphatic groups.
If this occurs, the effectiveness of the present invention will be reduced. Because this
These substituents disappear upon heating, resulting in char formation.
This is because the rate may decrease and the volatile content may increase.
be. Examples of aldehydes include formaldehyde
paraformaldehyde, acetaldehyde,
Acrolein, crotonaldehyde, furfura
There are many examples. As an example of an aldehyde generator
There is hexamethylenetetramine. acetone
Ketones such as are also condensed with phenolic compounds.
Phenolic resins can be produced.
The condensation of phenol and aldehyde occurs in sodium carbonate.
um, sodium acetate, sodium hydroxide, hydroxide
In the presence of alkaline reagents such as ammonium chloride
It is done. After the reaction is complete, add water and other ingredients as desired.
volatiles are removed and the catalyst is neutralized.
Resol resins are called thermosetting resins. sand
That is, under heat load, this resin polymerizes sequentially and the final
It becomes insoluble, unmeltable and completely hardens. Book
For purposes of invention, curable phenolic resins are
It is assumed that polymerization has not progressed to the extent that it becomes
Ru.
Furfuryl alcohol is used as a mix liquid.
Can be used in enolic carbonaceous binder
Ru. When the phenolic resin hardens, this product
It is thought that it reacts with enol resin, and this resin
acts as a modifier for furfuryl alcohol
It is preferable to use . Because this mix liquid
A strong bond is obtained by using
Binding cannot be obtained using other mixers.
This is because we know that there is no such thing. Therefore, an example
For example, use furfural instead of furfuryl alcohol.
A coating composition was prepared using
If the binding force is furfuryl alcohol
This is only half the case.
The true end goal is essentially RHM and carbon.
The purpose of the binder system is to obtain a distinct surface layer.
These materials easily decompose and produce a high rate of residual carbon.
Must. These compounds are used as resin binders.
Minutes as part of carbon cement or carbon system
from about 1% to about 40% of the coating composition, whether as
need to be occupied. The resin itself is coated at maximum
It can represent about 50% or more by weight of the composition.
Higher resin concentrations are possible, but
Hardening and carbonization cycles with little benefit
may be long. The carbon system is a cathodic group
About 10 to about 90% of the composition applied to the body, preferably
about 30 to about 80%, most preferably about 40 to about 65%.
It is necessary to
Carbon and phenolic resin or thermosetting of appropriate particle size
a suitable mixture with a synthetic resin binder, or alternatively
Commercially available compositions can be used. of the coating composition
The mix liquid components have a suitable evaporation and curing rate.
Approximately 2 to 40% by weight is sufficient, but approximately 5 to 40% by weight
About 25% is preferred to obtain a workable consistency.
The coating composition has workability and can be easily spread with a trowel.
It is desirable to obtain. If there is not enough liquid, the composition will dry out.
It dries and becomes difficult to spread, while too much liquid causes it to harden and spread.
baking becomes difficult.
Resin binder during mixing, curing, and carbonization of coating compositions
Various modifiers exist for the purpose of modifying the properties of
It's okay. These modifiers are commonly used in coating compositions.
It can be from 0 to about 10% by weight. phenol
Suitable as a modifier for formaldehyde resins
For example, rosin, aniline, copolymer,
resin "alloys", etc. rosin change
Polymer phenolic resins have important characteristics such as solubility, viscosity, and drying properties.
It has both the necessary properties. Used in coating compositions
Well known methods of making phenolic resins include phenolic
Heating and mixing formaldehyde condensate with rosin
Contains steps to The condensation used in this case
The substance is converted into alkylphenol by alkaline condensation.
Preferably, it is made from.
To make aniline-modified phenolic resin,
The intermediate condensate of norformaldehyde is converted into aniline or
is an aniline derivative, which can be synthesized by co-condensation or by phenol
Formaldehyde condensate and aniline formal
Treated by mixing with dehyde condensate. Anili
Modified phenolic resins have particularly good electrical properties.
has. Phenol resin is chlorinated phenol,
Nitromethane and even organosilicon compounds (e.g.
copolymerization with materials such as siloxanes)
Can be done.
Treatment of phenol formaldehyde intermediate condensate
As part of the substances used in
ether resins, ethylene oxide polymers,
hydrogen oxide, ketone, methylolaniline hydrochloride,
Polyvalent salts of hexanoic acid, stannous chloride, and terpe
There is a phenol product.
Furthermore, mixing various resin substances and phenolic resin
You can also make things. More common resin “mixtures”
Examples of "alloys" include phenolic resin and
Epoxy resin, ketone-aldehyde condensate, Mela
mineral and urea resins, natural and synthetic rubber, polyvinyl
luchloride and polyvinyl acetal resin
There is a combination of
Such modifications improve the binder system of coating compositions.
It is not at all possible to carry out extensive stem modification.
Ru. For example, if phenol is mixed with metacresol,
Frog is soluble in alcohol and has a short drying time.
Produces resin. Such modifications may occur under certain circumstances or
This may be useful when curing time is limited.
Replace phenol with meta-alkyl phenol
more rubbery, more flexible but with less tensile strength.
This results in a resin with a reduced quality. Phenol replaced with phenol
Nols (e.g., paratertiary butylphenol)
When replaced with olefin, an oil-soluble resin is produced. one
However, phenol is induced by naphthalene and anthracene.
The properties of phenol even if it is replaced with phenol
does not change significantly, but the binder system using pitch
In the stem, compatibility with pitch becomes greater. Ho
Higher grade lumaldehyde like acetalhyde
When replaced with aldehyde, the resin becomes oil-soluble.
Ru.
Glyse to phenol formaldehyde resol
Adding rolls will affect the binder system used.
It acts as a plasticizer inside. On the other hand, before adding the acid catalyst,
Furfuryl with anthracene oil as a stabilizer
Can be added to alcohol. This stabilization
Control of polymerization rate in the presence of acid catalysts
It helps.
Certain specific mixtures are noteworthy. for example,
Phenol - Phenol modified with furfuryl resin
formaldehyde is a flat plasticity
- has a plasticity curve, and has a plasticity curve.
through the rubbery state shown by formaldehyde.
Don't miss it. Therefore, phenol formaldehyde
and phenol-furfuryl are suitable.
Ru. This mixture has excellent impact resistance, chemical resistance, high
Fast curing at high temperatures as well as great acceptance of fillers.
have capacity. phenol formaldehyde and
Mixtures with certain thermoplastics may cause bonding to metals.
(e.g. for use with metal cathode substrates)
(resin that can be considered). phenol
Formaldehyde to butadiene/acrylonitrile
When mixed with rubber copolymer rubber, the impact resistance is improved.
It will be done. On the other hand, resorcinol formaldehyde tree
When mixed with fat, the reaction rate is faster and the curing temperature is lower.
It becomes. However, these resins cannot be used in the present invention.
It's too expensive to do so.
Pitch often contains modifiers or
As a binder, up to 50% or up to 75% (binder
concentration (if present as a functional component of the system)
exists in When present as a modifier itself
Pituchi can be added to the coating composition at a concentration of up to 10% by weight.
can exist in degrees.
RHM and binder system (filler itself)
(sometimes containing carbon), adding particulate carbon
is desirable. Amorphous or graphitic particulate carbon
to the extent that it is present in the commercially available carbon cement mentioned above.
This is often the case. Amorphous or graphitic particulate carbon
in the form of fine powder, coarse particles, or mixtures thereof.
May be added to.
Carbonaceous fillers can be used in specified carbon systems or commercially available carbon.
As a component of cement or commercially available carbon cement
It is highly desirable to be present as an additive to
Yes. These carbonaceous fillers are -100 mesh,
Preferably -325 mesh, carbon fine powder,
Graphite powder, crushed coke, crushed graphite, carbon block
It can include racks, etc. These fine powders
The presence of powder improves the packing density of the particles and
The fat-forming liquid is wicked up and carbonized to form a dense and highly
A carbon matrix bonded to is produced.
The carbonaceous filler as a fine powder is included in the coating composition.
It must account for about 1 to about 60%, and about 10 to about 40%
is preferred.
If carbonaceous additives or agglomerates are present,
Its size must be between -4 and +100 meshes.
Bye. Preferably it is -8 to +20 meshes.
These coarse aggregates are clearly microscopic cracks.
Provides cracking, helps release volatile substances, and reduces shrinkage.
This contributes to a high coal production rate. Aggregates and/or
Or the carbonaceous filler in the form of fibers can be
It should account for about 0 to about 70% of the composition, and about 5 to about
15% is preferred.
As mentioned above, carbon dioxide is used as a crack preventive agent.
Preferably, fibers are added to the coating composition. carbon fiber
When using fibers, some changes in the coating composition may be required.
It was seen. When using carbon fiber, use pitch
Precursors, organic fiber precursors (e.g. polyacrylate)
made from lyronitrile) or rayon
It is preferable that Pituchi Seni is pretty
It is preferred because it is inexpensive.
The fiber weight is 0 to about 10% by weight relative to the coating composition.
%, preferably about 0.05 to about 1.0%,
More preferably 0.05 to about 0.5%. but,
Concentrations higher than about 10% will be relatively expensive, so
There are no noticeable profits. Approximately 0.16~1.27
Carbon fibers with a length of cm are preferred. The short fibers are
Allows for easy mixing and application and can be used in high concentrations
Ru. Parallel helix bonded with a substance soluble in mixtures
Particularly preferred are bonded fibers consisting of a group of fibers. Why?
This fiber is most easily mixed with the binder system.
Because it matches. The orientation of the fibers can vary;
fibers can be used as a necessary component of coating compositions.
This facilitates the application work of the composition.
It is also possible to modify the carbon filler used. child
In this regard, adding a number of modifiers to the filler
Can be done. For example, adding silica to carbonaceous filler
can impart non-sintering properties to the binder system.
can. However, in general, inorganic fillers may be used according to the present invention.
Makes the resin binder harder and reduces charcoal formation during
reduce the rate.
A gas releasing agent is suitably added to the coating composition.
and the formation of bubbles and/or excessively large cracks.
Prevented. Suitable gas releasing agents include flammable oils;
There is soap and wax.
Combustible oil as gas release agent in carbonaceous binder
Can be used. During curing of phenolic resin
To avoid oil evaporation, the boiling point of the oil is set at the hardening point of the resin.
It is desirable that it be higher than the temperature. For that reason,
Boiling above about 150°C, preferably above about 200°C
Oils with a boiling point higher than about 250°C are useful.
Particularly preferred are oils with spots. paraffin oil, aromatic
Petroleum-based oils such as aromatic oils and asphalt oils are preferred.
Although preferred, other oils such as animal or vegetable oils may also be used.
Among petroleum oils, paraffin oil is preferred. use
Examples of animal and vegetable oils obtained include palm kernel oil, olive
oil, peanut oil, tallow oil, cottonseed oil, corn
There are soybean oil, soybean oil, etc. For the coating composition,
up to 3.5% by weight, preferably from about 0.4 to about 2.0% by weight
Appropriate amount of oil.
Soap may also be used as a gas release agent. use
Soaps are metal salts of fatty acids or quaternary ammonium
Any salt will do, but neutral or acidic quaternary ammonium
Binding agents using barium soap are more common.
Antioxidant than carbon cement made with metal soap
is high. Therefore, it is preferable to use non-metallic soaps.
stomach. To make this non-metallic soap, fatty acids are
React with ethanolamine. Fatty acid used
Similar to fatty acids used in the production of metallic soaps,
It has about 10 to about 24 carbon atoms and is either saturated or unsaturated.
It can be anything else. Among the available saturated fatty acids
contains capric acid, lauric acid, myristic acid, and patric acid.
Lumitic acid, stearic acid, arachidic acid, behen
acid, tetracosanoic acid, etc. typical insatiation
Japanese fatty acids include palmitoleic acid and oleic acid.
acids, linoleic acid, arachidonic acid, cetoleic acid,
These include erucic acid and ceracoleic acid. hopscotch
The amount of water is about 0 to about 15% based on the coating composition.
% by weight, preferably about 0.5 to about 5.0% by weight.
be.
Various waxes are also used as gas release agents.
Ru. Suitable waxes include various petroleum waxes.
Among them are various ordinary paraffin waxes.
[e.g. purified slack wax, sweating]
(sweat) wax, scale (scale) wax
blocks, blocks, and microphones
Locrystalline wax].
A preferred binder system is a union carver.
Product name sold by ID: UCAR
Made by C-34
It is a quality item. This composition contains oil, soap, finely ground
Carbon particles, furfuryl alcohol, novolak type
phenolic resin, and a curing agent for the resin
It is thought to contain a mixture of oil, fine powder
Crushed carbon particles, phenolic resin and phenolic tree
To obtain a mixture of fat hardeners, carbonaceous particles,
Nol resin and phenol resin curing agent using conventional methods.
mixed by any means (e.g. in a tumbler)
Sprinkle oil into the resulting mixture and mix again.
to distribute the oil throughout the mixture and make it substantially even.
Get a consistent blend. Soap and furfuryl alco
To obtain a soap mixture, heat the soap to approximately 100°C.
Heat it to liquefy it, then pour this molten soap
Dissolve in alcohol. Even after cooling, the soap
is dissolved as a stable solution in furfuryl alcohol.
This solution is mixed with another mixture (oil,
Crushed carbonaceous particles, phenolic resin, phenolic tree
It can be stored until mixed with fat hardening agent).
A mixture of two (one liquid and the other essentially solid)
body) at room temperature by manual or mechanical methods.
mixed with
UCAR
In C-34 cement, novola
Various types of phenolic resins can be used. this
In order to produce resin, phenol (phenol
itself, m-cresol, p-cresol, o
-cresol, 3,5-xylenol, 3,4-
xylenol, 2,5-xylenol, p-ethyl
Luphenol, p-tert-butylphenol, p
-amylphenol, p-tert-octylphenol
p-phenylphenol, 2,3,5-tol, p-phenylphenol,
(limethylphenol, resorcinol, etc.)
Aldehydes (formaldehyde, furfural,
acetaldehyde, etc.). actually
is a phenol that is not substituted due to cost.
- Formaldehyde resins can be used.
To cure novolak resin to a thermoset state,
Curing methods traditionally used to cure Borac resin
This can be done using any of the following agents. these
The curing agent is a conventional one (paraformaldehyde).
do, furfural, hexamethylenetetramine,
etc.) and can be used with an appropriate catalyst if necessary.
Ru. When heated, these curing agents release aldehydes.
The aldehyde reacts with the resin and crosslinks the resin.
cause to happen. UCAR
Used in C-34 cement
The appropriate amount of novolac resin to be applied to the coating composition is approximately
0.5 to about 15% by weight, most preferably about 2.5 to about 15% by weight
It is approximately 8% by weight. Curing agent for resin hardens resin
only in sufficient quantity to cure to a state, i.e.
It reacts with the resin to cause crosslinking in the resin.
Provides at least the necessary formaldehyde and
is the amount that provides the alkaline catalyst necessary for the reaction of
It is used.
UCAR
As a component of C-34 carbonaceous cement,
Various forms of pulverized carbon or graphite can be used.
can. Suitable carbonaceous materials include graphite powder, petroleum
Coke powder, pitch coke powder, calcined oil smoke powder, sa
-thermatomic black
(created by passing natural gas over heat refractory material), etc.
Ru. The amount of carbonaceous powder is approximately
1 to about 60% by weight, preferably about 10 to about 40% by weight.
Appropriate. Most preferably, the carbonaceous powder is graphite
It is a mixture of
In that case, graphite powder is about 2 to about 50% by weight, Thermato
Mitsuku Bratsuku is about 2 to about 50% by weight, Thermato
Mitsuku and Bratsuku account for about 0.5 to about 25% by weight.
UCAR
Furfurylal in C-34 cement
It is appropriate to use alcohol, and the alcohol is
from about 2% to about 40% by weight of the coating composition, most preferably
or about 4% to about 20% by weight.
Other suitable carbon cements are commercially available.
For example, there are the following. UCAR
C-
38 (Union Carbide) is UCA
to C-34
It has a similar composition and contains antioxidants.
Stebbins AR-25-HT is a furan resin composition.
, furfuryl alcohol, difurfuryl ether
Partially polymerized furan resins in the form of
Latent catalyst that can be phthalic acid or its derivatives
It's getting more familiar. Stebbins AR-20-C is
Difurfura ether together with rufuryl aldehyde
Partially polymerized furan resin and anhydrous lid shaped like
Contains latent catalysts that can be acid or its derivatives.
I'm here. Atlas CARBO−KOREZ is phenol
It is a resin composition, and the phenolic property in the solid is
When placed in a solvent (mixture) that has been hardened by
Contains high-quality phenol novolak or resol resin.
nothing. This solvent is probably something like butyl alcohol.
It is an aliphatic alcohol. Other suitable carbon cement
The following can be mentioned as examples. Atlas
CARBO-ALKOR is furfuryl alcohol monomer.
some polymers such as difurfuryl ether,
and phthalic anhydride or its derivatives.
Contains latent catalyst. DYLON GC is a solvent
furfuryl alcohol, phenol phor as
Monomers that harden with maldehyde, as well as
Contains sameethylenetetramine curing agent. Aremco
GRAPHI-BOND
551-R is furfuryl al
Contains coal and latent catalysts.
The coating composition is applied in a single layer or on the cathode of an aluminum bath.
can be used in multiple layers. Multilayer coating system
If , TiB2The first bonding layer that does not contain
Stronger as it penetrates better and deeper into the void structure of the poles
A strong bond is obtained and the applied material hardens more easily and more quickly.
become Additionally, using multiple layers reduces the TiB2Contains
Shrinkage, crack size and number in the top layer of
Decrease. In yet another preferred embodiment
The coating composition typically contains up to about 10% carbon by weight.
It can contain fibers. Carbon fiber is cracked
Prevention of cracking, strengthening of applied materials, especially at points of contact with the bath
It has the effect of reducing the tendency of the applied material to peel off.
have Carbon cement used in cathode substrate as bonding layer
Up to 40% more carbonaceous fillers and additives
on the cathode substrate and the bonding layer.
Improve the bonding strength with the bonding layer and the properties of the bonding layer, and apply
Cathode caused by stress generated during hardening and carbonization of materials
Helps prevent cracks in the base.
The coated cathode disclosed herein is a conventional aluminum cathode.
Mini tank or both anode and cathode are tilted from horizontal
It can be used in tanks without any problems. These Al
The minium tank is described in the prior art literature (Lewis et al.
No. 3400061, Holiday U.S. Patent No. 3661736
No. 4,093,524) and Payne U.S. Pat.
It is being proposed. Their shape is that aluminum
It has the advantage of being easily extracted, and therefore,
The surface of the cathode wetted with aluminum is coated with aluminum.
Only a thin film of the film remains, resulting in a narrower anode-cathode distance.
becomes possible. However, commercially available applications
Create a tilted cathode or RHM tile surface for the cathode
Past attempts to do so have been unsuccessful.
Additionally, the concepts disclosed herein also apply to non-consumable
Also suitable for aluminum reduction tanks that use electrodes.
It is possible to use it. This anode is porous like platinum black.
It can be made of a highly conductive material, and the electrolyte can pass through it.
Oxygen ionizer made of ceramic that is resistant to electrolytes.
It is separated from the molten electrolyte by an on-conducting layer.
Ru. Oxygen ions are transported through the oxide layer to the anode
is released, producing oxygen gas. That anode
marcinek U.S. Patent No.
Disclosed in No. 3562135.
Schmidt
Hatting and Huwyler
No. 3578580 describes an anode based on a similar principle,
However, molten silver or an auxiliary electrolyte (e.g.
Anodes containing PbO) and solid conductors or platinum are disclosed.
It is. SnO2Anode based on Klein
(Klein) US Pat. No. 3,718,550 and Adler
(Adler) US Pat. Nos. 3,930,967 and 3,960,678
and No. 3974046. Furthermore, de
De Nora et al., U.S. Patent No. 4,098,669
Leave, Y2O3and other compounds.
It has a matrix and an electrocatalytic on the surface.
Discloses the use of sintered electrodes with materials. Ho
More complex for aluminum electrolysis
A coarse oxide anode with electrically conductive spinel ash
Tanite, delahosite, pyrochlore, scheelite and
and mixtures thereof.
The anode is a patent to Yamada et al., a U.S. patent.
No. 4039401, British Patent No. 1508876, Japanese Patent Publication No.
Patent No. 140411 (1977) and Japanese Published Patent No.
No. 153816 (1977).
The advantages of inert anodes are short ACD and tank design.
It is compact and has low heat loss.
Ru. Until now, inert yang and yin dissipated initial electrical energy.
This shows that the cost is disadvantageous compared to consumable carbon anodes.
However, the surface irregularity is small and the lifespan is quite long.
Therefore, frequent replacement of the anode and accompanying
The effect on tank operation is avoided.
Such an anode may be made of the aluminum disclosed herein.
For use with a cathode that has a wettable surface
This has the advantage of reducing ACD size and extending its life.
is obtained. Disclosed herein, RHM-Carbon
Slanted or drained with application surface
Using such an anode in combination with a (drained) cathode
In this case, further advantages may be expected.
Furthermore, the electrolytic cell described in the present invention is a conventional aluminum electrolytic cell.
Is it better than what is currently used in the aluminum tank?
It is thought that a thinner carbon cathode block could be used.
Ru. Because it has the potential to extend the life of the applied material,
Therefore, a thick cathode block is no longer necessary and can be used
Lower conductor temperature reduces costs and saves power
You can get a lot of information about it. Furthermore, the electrolytic cell of the present invention
RHM surface layer with wettability to aluminum
It is considered that a carbonaceous cathode substrate protected by
available.
Practical scale using a coated cathode according to the invention
(105Kamp) VSS aluminum reduction tank was put into operation.
As a result, productivity improvements resulting from the present invention will continue.
Be looked at. Although the following is not an example of the claimed invention,
Process preferences for reference examples of improved coating compositions
Although it represents a high standard, many similar methods
A certain coating can be obtained. Example
collector bar
Assemble the cathode block on the cell ramming pro.
Before performing the cell ramming process,
Industrial sites where cathode blocks are applied
If the bottom and sides of the cathode are compacted by coating in the tank,
It is possible to coat all or part of the surface.
The entire cathode coating is then placed on the coated cathode, for example.
One operation using a heated hooded heater
It can be hardened and carbonized. This results in time
and application cost savings, ram joints
A complete monolithic cathode without (ram joint) is provided;
Furthermore, the amount of gas generated during bake-in is reduced.
The baking process has been improved to reduce slots.
and improved baked ram on the side walls.
generate.
The coating composition ensures that each cathode block remains in its original position.
Before installation, the block is coated and hardened with carbonized
can be done. Alternatively, assemble the cathode
Press down, apply the coating composition, and then cure.
Both are possible. In this case, the carbonization process is carried out in the tank.
Now. Curing may be carried out in several stages.
As a result, the coated substrate gradually reaches the desired curing temperature.
is pulled up, creating a relatively hard surface at that temperature.
Carbonization is then carried out at a maximum temperature of 1100°C. this
In the early stage of curing, the mixture liquid volatiles and
Volatile components such as reaction products are removed and
On the other hand, at higher temperatures (e.g. 250°C to 1100°C),
Decomposition of carbonaceous materials such as cross-linked phenolic resins
However, a non-graphitizable carbonaceous matrix containing RHM remains.
This carbonization heats the coated cathode substrate to the desired temperature.
Immediately after initial curing, or the cathode substrate
This can be done after the is installed in the electrolytic cell. another
As a method, after coating and initial curing, carbon cathode blot
Place the cathode in the correct position in the tank, then attach the coated cathode.
Bake-in is performed by starting and operating the tank.
in)”. Alternative order: application-curing-
Carbonization - assembly - installation - ramming also
Adoptable.
The coating area is from the entire inner surface of the cathode recess to the area under the anode.
Covering 10% or less (excluding 10%) of the cathode surface
Can be done. The coating area is 50% of the cathode surface directly under the anode.
~100%, preferably 70-100%. but,
It may be desirable to leave some uncoated parts.
do not have. Thereby, for example, tank heating and starting
At times, outgassing from the cathode ram can occur.
RHM coating must be continuous on all cathode surfaces
There isn't. TiB2For tiles, adjacent tiles
A small gap (1-5 mm) is bridged with molten metal.
Similarly, TiB at an appropriate concentration on the carbon surface2particles exist
If so, the adjacent TiB2Crosslinking occurs between particles.
An apparently continuous aluminum wet film is formed.
do. In the case of the composition of the present invention, in the surface of the cathode substrate,
TiB to2When present at 20% by weight, pseudo-aluminum
A wet surface is created. TiB in surface layer2The concentration is
35-60% by weight is preferred. In that case, foreign matter may be mixed
This will extend the life of the coating. RHM
Improve the properties of the particles or change the composition of the coating composition.
and/or change the distribution of RHM in the coating.
By doing so, the amount of RHM used can be reduced.
Cracks that occur in the coating are smaller than 5 mm in width.
Must be small, preferably smaller than 1mm
It is.
Two different types of TiB2was used in the test tank. High purity
(+99.5%) of TiB2with a lower purity (98
%) TiB2Even if you replace it with
No difference was observed. Carbon is used to produce high-purity powders.
Lower cost, lower purity powder using reduction method
The arc melting method was used to produce the powder.
No minimum or maximum coating thickness has yet been specified.
However, the greater the thickness, the longer the life of the coating film. deer
However, in that case, cracks tend to become worse,
The cost will be high. The coating thickness is determined by the coating thickness during curing and carbonization.
Minimizes the tendency for blistering and cracking in the membrane
Therefore, about 1 to about 1.6 cm is preferred. coating thickness
The maximum value should correspond to the expected bath life.
Ru. In other words, the tank life is expected to be only 7 years.
In some cases, the coating thickness does not need to last for 10 years.
do not have.
Alternatively, the coating composition may be applied in a single layer or in multiple layers.
It is possible that In the latter case, curing occurs after each application.
It is done every time. According to this idea, the application composition
Applying thin layers of paint several times and curing each time.
Due to the
It is possible to obtain Maximize bond strength
To ensure that the surface of each cured layer is coated before applying the next layer,
For example, scuffing and wire
It may be desirable to handle the
stomach. This technology allows the RHM concentration of each layer coating composition to be increased.
By varying the degree of RHM concentration during curing,
It is also possible to change it hierarchically.
Coat each cathode block, assemble the cathode, and open the tank.
General procedure used when cutting in
is as follows.
1. Wire the upper surface of the cathode block,
Vacuum clean.
2 Attach a mold to the top of each cathode block.
3. Mix dry application ingredients.
4. Preheat coating ingredients and block.
5. Mix the coating composition.
6 Apply a thin layer of coating composition to the block surface.
Let it soak in.
7 Finish applying the coating composition and apply using a stick.
Match the height of the object with the top of the mold.
8 After 15 to 30 minutes, use a metal trowel to apply the
Make the surface almost smooth.
9 Insert the thermocouple during curing and harden the coating block.
Put it in the chemical pot.
10 Perform curing.
11 Remove the mold from the block.
12 Place the hardening block into the metal box and
Cover with oak and heat to partially carbonize.
13 After cooling the block, remove it from the coke bed.
Take out the lock.
14 Cast a block on the collector bar
Ru.
15 Remove each collector bar assembly from the cathode.
Firm up the inside of de Ciel and firm up the side walls.
16 Applying excess ram
Wire away from the surface layer.
17 Follow conventional procedures to install and bake the cathode.
and cut in.
The uniformity, workability, and bonding strength of coating compositions depend on temperature.
greatly influenced by. The mixture of coating compositions and
The premixing temperature of the solid part and solid part is 40-45℃ and
30-35°C is preferred. 20-45 as premix temperature
°C was used for both the mix liquid and the solid part;
No major problems arose. shade to be applied
The temperature of the polar block or its surface is 20-65℃, preferably
It is necessary that the temperature is 40 to 50°C. preliminary mix
If the mixing temperature is low, uniform mixing will not be achieved and the coating assembly will be
Addition of extra solvent to make the product workable
It becomes necessary. In either case, small amounts of
There was swelling. If the premix temperature is high, the coating
Early curing occurs in some parts of the composition, reducing workability.
The bonding strength to the carbon substrate decreased.
Lower cathode block temperatures result in more uniform coating compositions.
to obtain the wetting of the carbon substrate necessary for good bonding.
I couldn't do it. If the block temperature is high
, some premature curing occurs and the applied material shrinks excessively.
Ta. Excessive shrinkage may cause cracking tendency as well as carbon substrate
Increased peeling tendency.
As mentioned above, the preparation of the coating composition and cathode block is
For heat treatment, there is a certain temperature range that can be applied.
Exists. It should also be noted that the coating thickness
It can range from approximately 0.6 to 1.6 cm or more. preferred
The table shows the range.
【表】
塗膜中のふくれ生成傾向は、塗布物の上部表面
の仕上げに用いる技術と仕上げの程度に左右され
た。塗膜表面を乾式又は湿式処理して仕上げ面を
平滑にした場合は、こてで荒く仕上げた場合より
も、ふくれの生成傾向が大きかつた。平滑表面は
迅速形成をもたらし、表面がシールされ、硬化中
発生するガス(これがふくれをもたらす)の放出
が防害された。逆に、部分的に平滑な不完全表面
は、硬化サイクル中ガスの放出を容易にした。実
施例6に示す組成物を、塗布した8個のブロツク
の表面を湿式及び乾式法で処理し平滑に仕上げ、
硬化後、これらのブロツクの塗膜中のふくれを観
察した。同じ組成物を別の52個のブロツクに塗
り、塗膜の表面をごくわずかだけ平滑化した場合
は、ふくれのない塗膜が得られた。
実施例8の塗布組成物から作つた塗膜に施した
各種仕上げの表面状態を特性化した。この場合の
技術としては、2cm×2cm×2cmの塗布ブロツク
をとり、それを白粉を満たしたエポキシ樹脂の中
におき、黒い塗膜に対し白色のバツクグランドを
作つた。該試験片を分画し、磨いて塗膜表面の詳
細な状態を現出させた。この表面状態を倍率12×
で写真にとり、また塗膜表面の様子を無けい紙上
にトレースした。この表面状態の代表的5mm分画
を分析し、頂部−谷の最大高さ及び平均値を計算
した。これらの測定を表に示す。Table: The tendency for blistering in coatings depended on the technique and degree of finishing used to finish the upper surface of the coating. When the surface of the coating was dry or wet treated to give a smooth finish, the tendency for blisters to form was greater than when the surface was roughened with a trowel. The smooth surface provided rapid formation and sealed the surface, preventing the release of gases (which would lead to blistering) during curing. Conversely, the partially smooth, imperfect surface facilitated outgassing during the curing cycle. The surfaces of eight blocks coated with the composition shown in Example 6 were treated by wet and dry methods to make them smooth.
After curing, blistering in the coating of these blocks was observed. When the same composition was applied to another 52 blocks and the surface of the coating was only slightly smoothed, a blistering coating was obtained. The surface conditions of various finishes applied to coatings made from the coating composition of Example 8 were characterized. The technique used in this case was to take a 2 cm x 2 cm x 2 cm coating block and place it in epoxy resin filled with white powder to create a white background for the black paint film. The specimen was fractionated and polished to reveal the detailed condition of the coating surface. This surface condition is magnified at 12x.
I took a photograph and traced the appearance of the paint film surface on a piece of paper. A representative 5 mm fraction of this surface condition was analyzed and the maximum peak-to-valley height and average value were calculated. These measurements are shown in the table.
【表】
述分な平滑仕上げをした塗布陰極は乾式法、湿
式法共、ふくれを示したが、半平滑仕上げの塗布
陰極の塗膜は実用できるものであつた。従つて、
頂部−谷の平均高さが0.65mmより小さい表面状態
のものは使用すべきでないと考えられる。
空隙率の高い黒鉛粒子(UCAR
BB−6)又
は他の同様な空隙率の粒子の場合はUCAR
6
−03コークスのような普通のコークス物質の場合
に比べ、硬化及び炭化サイクル中の溶剤や他のガ
スの放出が容易であつた。多孔質の粒子を塗布組
成物に添加すると、ふくれの生成傾向及び硬化中
の塗膜の収縮量が低下した。収縮が大きすぎる
と、塗膜−基体の結合力が弱まり、ひび割れが多
く形成する。
実施例 1
炭生成率
重量の正確に分つているミツクス液で各種炭素
システム(固体成分)を、5.1cm×1.27cm×0.63cm
(深さ)のTeflon
塗り型の中でまぜた。炭素シ
ステムが別の硬化剤を含んでいる場合は、その硬
化剤の重量は、ミツクス液の重量に入れた。各炭
素システムを普通の硬化サイクルにかけ、秤量
し、型からとり出した。硬化片をついでアルミナ
るつぼの中で空気中250℃で恒量にし、型からと
り出す場合にあつたかも知れない重量損失(例え
ば、破壊、粉状化、型への付着)の補正を行なつ
た。外そうした重量が、試料が物理操作のない場
合に250℃で得たであろう真の重量であつた。恒
量にした試験片をついでアルミナるつぼ中でアル
ゴン雰囲気の下で24時間に亘り1000℃に焼結し
た。炉を冷却後、試料を秤量し、再び、組成の元
の重量に相当する重量(焼結段階で用いた重量で
なく)に補正した。補正した炭の重量が、元の試
料から得られる全炭重量を表わす。
正確に秤量した元の固体を、ソツクスレー抽出
器中で沸とうMEKを用いて4時間、4時間をす
ぎても抽出液が引き続き装着する場合は4時間よ
り長く、抽出にかけた。大気温で真空釜中に保つ
た背高のガラスビーカー中で溶剤を乾固(少なく
とも24時間)に迄蒸発させて、被抽出物質の重量
を求めた。空ビーカーに対する重量増加を被抽出
物質の重量とした。この重量を、ソツクスレー抽
出器のシンブル(thinble)中に残つた不溶分重
量(同様に真空下で蒸発乾固して恒量にしたも
の)と比較した。
元の炭素システム中のMEK不溶分の重量は始
めから存在する固体の既知重量及び、MEK不溶
分を含むそれらの固体の%から、計算される。
これら固体は、250℃までは重量損失を全くう
けないと思われた。従つて250℃の試料中の「樹
脂」(この場合は、250℃に硬化した炭素システム
中の、MEK不溶分以外のすべてのものと定義さ
れる)の重量は、250℃での真の試料重量から始
めから存在するMEK不溶分の重量を引いたもの
として与えられる。
MEK不溶分による炭重量を測定するため、ソ
ツクスレーのシンブルからとり出した抽出残渣を
アルミナるつぼ中でアルゴン雰囲気下、1000℃に
焼結した。得られた炭重量が、実際の重量に相当
するように、始めの試料中に最初存在したMEK
不溶分を差引いた。
樹脂から来る炭重量は従つて、全炭重量から
MEK不溶分の炭重量を差引いたものであつた。
「炭生成率」は、樹脂から来る炭重量を250℃の凝
固物(slug)中の全樹脂重量の%として表わした
ものであつた。
これらの測定結果を以下に示す。[Table] Although the coated cathode with a fairly smooth finish showed blistering in both the dry and wet methods, the coating film of the coated cathode with a semi-smooth finish was usable for practical use. Therefore,
Surface conditions with an average peak-to-valley height of less than 0.65 mm are considered not to be used. UCAR 6 for high porosity graphite particles (UCAR BB-6) or other similar porosity particles
The release of solvents and other gases during the hardening and carbonization cycles was easier than with common coke materials such as -03 coke. Addition of porous particles to coating compositions reduced the tendency for blistering and the amount of shrinkage of the coating during curing. If the shrinkage is too large, the coating film-substrate bond strength will be weakened and many cracks will be formed. Example 1 Charcoal production rate Various carbon systems (solid components) were prepared using mix liquids with accurately determined weights in a size of 5.1 cm x 1.27 cm x 0.63 cm.
(depth) of Teflon and mixed in a mold. If the carbon system contained another curing agent, the weight of that curing agent was included in the weight of the mix solution. Each carbon system was subjected to a normal curing cycle, weighed, and demolded. The cured pieces were then brought to constant weight in an alumina crucible at 250°C in air to compensate for any weight loss that might have occurred during demolding (e.g., breakage, pulverization, adhesion to the mold). . That weight was the true weight that the sample would have obtained at 250°C without physical manipulation. The test pieces brought to constant weight were then sintered at 1000° C. for 24 hours under an argon atmosphere in an alumina crucible. After cooling the furnace, the samples were weighed and again corrected to a weight corresponding to the original weight of the composition (rather than the weight used in the sintering step). The corrected charcoal weight represents the total charcoal weight obtained from the original sample. Accurately weighed original solids were subjected to extraction with boiling MEK in a Soxhlet extractor for 4 hours, or longer if the extraction liquid continued to accumulate after 4 hours. The weight of the extracted material was determined by evaporating the solvent to dryness (at least 24 hours) in a tall glass beaker kept in a vacuum kettle at ambient temperature. The weight increase relative to the empty beaker was taken as the weight of the extracted substance. This weight was compared to the weight of undissolved material remaining in the Soxhlet extractor thinble (also evaporated to dryness under vacuum to constant weight). The weight of MEK insolubles in the original carbon system is calculated from the known weights of solids originally present and the percentage of those solids that contain MEK insolubles. These solids appeared to suffer no weight loss up to 250°C. Therefore, the weight of "resin" (in this case defined as everything in the 250°C cured carbon system other than MEK insolubles) in the 250°C sample is equal to the weight of the true sample at 250°C. It is given as the weight minus the weight of MEK insolubles initially present. To measure the weight of coal due to MEK insoluble matter, the extraction residue taken from the Soxhlet thimble was sintered at 1000°C in an alumina crucible under an argon atmosphere. The MEK initially present in the starting sample was
Insoluble matter was subtracted. The charcoal weight coming from the resin is therefore the total charcoal weight.
The charcoal weight of the MEK insoluble portion was subtracted.
"Charcoal production rate" was the weight of char coming from the resin as a % of the total resin weight in the 250°C slug. The results of these measurements are shown below.
【表】
実施例 2
膨張率
塗布組成物試料を作成し、5.1cm×1.25cm×0.63
cm(深さ)のTeflon
塗り型の中に広げた。こ
のものを普通の硬化サイクルにかけ、冷却し、型
からとり出した。各々2.5cm×0.6cm×0.6cmの4つ
の試料片に切断し、アルミナるつぼ中で250℃で
(普通16〜24時間)恒量になる迄乾燥した。
その試験片をマイクロメーターで測定し、次い
でたえずアルゴンを流している膨張計中で室温か
ら1000℃に加熱した。膨張/収縮を、温度の関数
としてXYレコーダー上にたえず記録した。2つ
の収縮値を計算した。1つは、始めの試料長さと
1000℃での長さにもとづくものであり、他の1つ
は、始めの試料長さと試料が室温に戻つてからの
最終長さにもとづくものである。試料の最終長さ
は、記録計による値のダブルチエツクとして冷却
後マイクロメーターを使つても測定した。試験試
料は表に示す通りであつた。
試料作成は極めて注意深く行ない、また温度サ
イクルは一様に行なつたにもかゝわらず、各種塗
布組成物の全膨張は再現性が比較的悪いようにみ
える。しかし、炭化後、800〜1000℃における塗
布組成物の膨張は再現性が良好で、ブロツクの膨
張に非常に似ていることが分る。更にこの温度範
囲に於て、UCAR
C−34セメントはそれ自体
では使用不可能な膨張を示すことも分る。
塗膜は完全な炭化点(約800℃)迄は、塗膜と
陰極基体とのC.T.E.の如何なる不釣合を許容する
に十分ひずむと考えられている。この点を越すと
塗膜は硬くてもろくなり、従つてC.T.E.の差が存
在すると、内部応力が発生したり大きなひび割れ
が生成する。[Table] Example 2 Expansion rate A coating composition sample was prepared, and the size was 5.1 cm x 1.25 cm x 0.63 cm.
cm (depth) spread into a Teflon mold. This was subjected to a normal curing cycle, cooled and demolded. Four specimen pieces, each 2.5 cm x 0.6 cm x 0.6 cm, were cut and dried in an alumina crucible at 250°C (usually 16-24 hours) to constant weight. The specimens were measured with a micrometer and then heated from room temperature to 1000° C. in a dilatometer with a constant flow of argon. Expansion/contraction was constantly recorded on an XY recorder as a function of temperature. Two shrinkage values were calculated. One is the initial sample length and
One is based on the length at 1000°C and the other is based on the initial sample length and the final length after the sample returns to room temperature. The final length of the sample was also measured using a micrometer after cooling as a double check of the recorder value. The test samples were as shown in the table. Despite very careful sample preparation and uniform temperature cycling, the total expansion of the various coating compositions appears to be relatively unreproducible. However, after carbonization, the expansion of the coating composition at 800 DEG -1000 DEG C. is found to be well reproducible and very similar to the expansion of the block. Furthermore, it is found that in this temperature range, UCAR C-34 cement exhibits expansion that is unusable on its own. The coating is believed to be sufficiently strained to tolerate any CTE mismatch between the coating and the cathode substrate up to the point of complete carbonization (approximately 800° C.). Beyond this point, the coating becomes hard and brittle, and therefore the presence of a CTE difference will cause internal stresses and large cracks to form.
【表】
実施例 3
以下の諸成分を混合して塗布組成分(CM−
24A)を作つた。%は重量%である。
TiB2、−325メツシユ 36%
UCAR
C−34炭素セメント固体 34.2〃
UCAR
C−34ミツクス液 19.7〃
焼成石油コークス粒子、グレード6−03(ユニオ
ン・カーバイド) 10.1〃
生成した塗布組成物を7.5cm×15cmの陰極ブロ
ツク基体に塗布した。充分な量を塗布し厚さを
ほゞ0.16cmとし、ブロツク表面に加工した更に多
量塗布し、層の厚さを1.59cmとし、平滑化した。
塗膜を毎時25℃の速度で100℃に加熱して硬化
させ、5時間保ち、毎時25℃の速度で140℃に加
熱し、24時間保ち、空冷で室温に戻した。
硬化後、ひび割れが幾つかみられたが、塗膜−
基体の結合は影響をうけなかつた。
実施例 4
以下の諸成分を混合して塗布組成物(CM−
37)を作つた。
TiB2、−325メツシユ 36%
UCAR
C−34セメント固体 29.4〃
UCAR
C−34ミツクス液 32.4〃
Great Lakes Carbon FORTAFIL
(0.63cm長
さの未サイズ化繊維) 2.2%
生成した塗布組成物を7.5cm×15cmの陰極ブロ
ツク基体に塗り、実施例3に述べたのと同様の方
法で硬化させた。
硬化後、この塗膜は、実施例3の炭素粒子使用
の塗膜にみられたひび割れを示さなかつた。炭素
せん維は陰極塗膜中でひび割れ防止剤として働く
ようにみえ、その結果、陰極寿命がのびる。
実施例 5
以下の組成の塗布組成物(CM−38A)に対す
る基体として、7.5cm×15cmの陰極ブロツクを用
いた。
TiB2 37.5%
UCAR
C−34セメント固体 30.6〃
UCAR
C−34ミツクス液 29.6〃
FORTAFIL
(未サイズ化炭素せん維) 2.3〃
この組成物を実施例3と同様の方法で塗布し、
最終厚さを0.95cmとした。
以下のサイクルに従い、塗布物を硬化させた。
塗布ブロツクを毎時25℃の速度で100℃に加熱し、
この温度に3時間保つた。毎時25℃の割合で140
℃に加熱し、その温度でブロツクを16時間保つ
た。ついで塗布ブロツクをとり出し、空冷で室温
に戻した。調べた所、表面ぶくれ、ひび割れ、結
合上の欠陥は見当らなかつた。
ついでこの硬化ブロツクを、アルゴン雰囲気
(酸化をさけるため)中で24時間1000℃に加熱し
て、炭化させた。ついでアルゴン雰囲気中で200
℃より低い温度に冷却し、とり出し室温迄戻し
た。冷後調べた所、欠陥はなかつた。形状ならび
に基体との結合は、炭化により影響をうけなかつ
た。
実施例 6
小さい試験ブロツク(7.5cm×15cm)用の塗布
工程を実用規模の陰極ブロツク(50.2cm×52.1
cm)用の塗布工程に拡大するために、ミツクス液
量を約20〜32重量%から15〜19重量%にへらし
た。溶剤濃度のより高い組成物を用いて前記実用
規模の陰極ブロツクを塗布した場合は、硬化サイ
クル中にふくれが生成した。塗布ブロツクの「表
面積対周囲の比」が増加するに従い、塗膜のふく
れ生成傾向が増大した。すなわち、溶剤が硬化サ
イクル中揮散しにくくなつた。また、塗布厚さが
増加と共にふくれがふえた。すなわち、0.32cm厚
の塗膜は殆んどふくれ傾向を示さなかつたのに対
し、1.27cm厚の塗膜は強いふくれ傾向を有した。
以下の組成物(CM−66)を用いて、ふくれのな
い塗膜を陰極ブロツク上に得た。
TiB2、−325メツシユ 36重量%
UCAR
C−34セメント固体 36.35 〃
UCA
C−34ミツクス液 19.3 〃
Great Lakes Carbon FORTAFIL
3(0.63cm
長さ、未サイズ化炭素せん維) 0.3 〃
UCAR
BB−6黒鉛粒子 8.0 〃
上記組成物を0.63cm厚に塗布した陰極を用い、
工業用VSSアルミニウム還元槽を実験的に310日
間稼動させた。終りの9ケ月の運転については、
槽のエネルギー効率は、このプラントの平均より
製造アルミニウム0.45Kg(1ポンド)当り
0.14Kwh低かつた。
310日間の稼動の後、試験槽(A−43)を切断
し、熔融金属及び浴をとり出し、陰極くぼみの底
に金属を5cmより少なく残した。冷後の試験陰極
からとつた直径4.5cmの芯試料を調べた所、塗膜
損失は金属分析から求めた予想塗膜寿命と一致し
ていた。(すなわち、元の塗膜厚さのほゞ1/3が損
失していた。)陰極の分離域では、明らかに塗膜
が完全に損失していた。
切断した試験槽A−46(表)からとつた陰極
の芯試料により、塗膜の損失が金属分析から求め
た予想塗膜寿命と一致することが確認された。こ
の槽の陰極表面では、塗膜破損とか泥状物生成の
部分はなかつた。
実施例 7
せん維含量を下げると塗布組成物に作業性を与
えるために必要な溶剤量がへるので、組成物中の
せん維含量をへらしてふくれ生成傾向を減少させ
た。しかし、塗膜中に垂直方向の細かいひび割れ
が生成する傾向があつた。これらのひび割れは硬
化中の溶剤の揮散を可能にし、従つてふくれが減
少した。以下の組成物(CM−78B)を用いて陰
極ブロツク上に、ふくれのない、細かいひび割れ
を有する塗膜を得た。
TiB2、−325メツシユ 46.0重量%
UCAR
C−34セメント固体 28.5重量%
UCA
C−34ミツクス液 15.5 〃
UCAR
BB−6黒鉛粒子 10.0 〃
この組成物の試験の初期の段階では、極めて平
滑な塗面を作ることを心掛けたために、多くの問
題に直面した。陰極基体に塗布組成物を施した
後、過剰のミツクス液で湿潤させ、完全に平滑と
した。
この平滑塗膜は硬化によりひぞいふくれを生じ
た。余分のミツクス液の使用により、硬化中塗膜
表面にはつきり「皮(skin)」が生成し、発生ガ
スの揮散を防害した。その結果、ふくれが生じ欠
陥塗膜となつた。それ以後の塗膜表面には余分の
ミツクス液を使わず軽度の表面仕上げを施した
所、ふくれは発生せず許容できる硬化表面が得ら
れた。周囲温度が塗布組成物の混合及び広がり性
に関係し、周囲温度が低いと硬い、塗布しにくい
組成物になる、ことも分つた。
垂直方向のひび割れが小さい間は、ひび割れは
塗膜の機能に悪影響を与えない。TiB2の溶解速
度を一定と仮定して、この組成物中ではTiB2濃
度を上げ塗膜寿命を長くした。この組成物を0.95
cm厚に塗布した陰極を用い、工業用VSSアルミ
ニウム還元槽を実験的に225日間より長く稼動さ
せた。終りの6ケ月間の槽のエネルギー効率は、
製造アルミニウム0.45Kg(1ポンド)当りこのプ
ラントの平均値より0.19Kwh少なかつた。
実施例 8
実施例7の組成物を修正し、塗膜中のたてのひ
び割れの数をへらした。ただし、ふくれの発生を
防ぐため溶剤の含量はかえなかつた。好ましい組
成物(CM−82及びCM−82A)は以下の通りで
あるが、この中に用いた樹脂結合剤の炭生成率
は、炭生成率分析で測定した場合94%であつた。
CM−82
TiB2粉末、カーボンランダム−325メツシユ
46.0重量%
UCA
C−34セメント固体 28.0 〃
UCAR
C−34ミツクス液 15.8 〃
Great Lakes Carbon FORTAFIL
3(UCAR
C−34セメント用サイズ化炭素繊維、0.32cm
長) 0.2 〃
UCAR
BB−6黒鉛粒子 10.0 〃
CM−82S
TiB2粉末、Metallurg、−325メツシユ46.0重量%
UCAR
C−34セメント固体 28.0 〃
UCAR
C−34ミツクス液 15.8 〃
Great Lakes Carbon FORTAFIL
3(UCAR
C−34セメント用サイズ化炭素せん維、0.32cm
長) 0.2 〃
UCAR
BB−6黒鉛粒子 10.0 〃
工業用規模の2つのVSSアルミニウム還元試
験槽用の陰極ブロツクに前記組成物を0.95cmに問
題なく塗布し、槽を125日間稼動させた。塗膜中
のたて方向のひび割れの数は事実上0にへつた。
終りの2ケ月間の槽のエネルギー効率は、製造ア
ルミニウム0.45Kg(1ポンド)当り、このプラン
トの平均より夫々0.08、0.05Kwh低かつた。
この実施例の塗布陰極ブロツクの作製に当つて
は、より低い周囲温度による塗布に先立ち、ブロ
ツクを40〜50℃に予熱し、余分のミツクス液使用
の必要がないように塗布組成物に良好な作業性を
もたせた。塗布組成物の乾燥及び液体成分をそれ
らの混合に先立ち予熱すると、塗布組成物の混合
及び塗布性が改善することも分つた。更に、ミツ
クス液の濃度をへらすと、ふくれの生成が少なか
つた。
各種組成物を用い、陰極ブロツクを予熱して追
加の試験を行なつた。ブロツクを70〜80℃に予熱
すると塗布が極めて円滑かつ容易になるが、早期
硬化が起り過度の収縮及び剥離が生じる、ことが
判明した。予熱温度を40〜50℃にすると、塗布組
成物の作業性と収縮の低減の最良の組合が得られ
ることも判明した。
工業用VSSアルミニウム槽陰極ブロツク用に
作製、使用した前記塗布組成物並びに追加の組成
物を以下の表にまとめて示す。同表中、エネル
ギー効率は製造アルミニウム0.45Kg(1ポンド)
当りのKwhで表されており、予想塗膜寿命は生
成アルミニウム中へのTiB2の溶解にもとづいて
いる。Kwh当り22ミルのエネルギーコストの場
合、トン当り10ドル位の節約が予想される。[Table] Example 3 The following ingredients were mixed to form a coating composition (CM-
24A) was created. % is by weight. TiB 2 , -325 mesh 36% UCAR C-34 carbon cement solid 34.2〃 UCAR C-34 mix liquid 19.7〃 Calcined petroleum coke particles, grade 6-03 (Union Carbide) 10.1〃 The resulting coating composition was 7.5 cm x A 15 cm cathode block substrate was coated. A sufficient amount was applied to give a thickness of approximately 0.16 cm, and a larger amount was applied to the surface of the block to obtain a layer thickness of 1.59 cm and smoothed. The coating was cured by heating to 100°C at a rate of 25°C per hour, held for 5 hours, heated to 140°C at a rate of 25°C per hour, held for 24 hours, and returned to room temperature by air cooling. After curing, some cracks were observed, but the paint film was
Substrate bonding was unaffected. Example 4 A coating composition (CM-
37). TiB 2 , -325 mesh 36% UCAR C-34 cement solid 29.4〃 UCAR C-34 mixture liquid 32.4〃 Great Lakes Carbon FORTAFIL (0.63 cm long unsized fiber) 2.2% The resulting coating composition was 7.5 cm x A 15 cm cathode block substrate was coated and cured in the same manner as described in Example 3. After curing, this coating did not exhibit the cracking seen in the carbon particle coating of Example 3. The carbon fibers appear to act as anti-cracking agents in the cathode coating, thereby extending cathode life. Example 5 A 7.5 cm x 15 cm cathode block was used as a substrate for a coating composition (CM-38A) having the following composition. TiB 2 37.5% UCAR C-34 cement solid 30.6〃 UCAR C-34 mixture liquid 29.6〃 FORTAFIL (unsized carbon fiber) 2.3〃 This composition was applied in the same manner as in Example 3,
The final thickness was 0.95 cm. The coating was cured according to the following cycle.
The coating block was heated to 100°C at a rate of 25°C per hour.
It was kept at this temperature for 3 hours. 140 at a rate of 25°C per hour
℃ and kept the block at that temperature for 16 hours. The coated block was then taken out and cooled in the air to room temperature. Upon inspection, no surface blisters, cracks, or bonding defects were found. The cured block was then carbonized by heating to 1000° C. for 24 hours in an argon atmosphere (to avoid oxidation). Then 200 min in an argon atmosphere.
It was cooled to a temperature lower than °C, taken out, and returned to room temperature. Upon inspection after cooling, no defects were found. The shape as well as the bond to the substrate was unaffected by carbonization. Example 6 The coating process for a small test block (7.5 cm x 15 cm) was applied to a practical scale cathode block (50.2 cm x 52.1 cm).
cm), the amount of mix liquid was reduced from approximately 20-32% by weight to 15-19% by weight. When the utility scale cathode blocks were coated using compositions with higher solvent concentrations, blisters formed during the curing cycle. As the "surface area to surrounding ratio" of the coating block increased, the tendency of the coating to blister increased. That is, it became difficult for the solvent to volatilize during the curing cycle. Moreover, as the coating thickness increased, the blistering increased. That is, the coating film with a thickness of 0.32 cm showed almost no tendency to blister, whereas the coating film with a thickness of 1.27 cm had a strong tendency to blister.
A blistering-free coating was obtained on the cathode block using the following composition (CM-66). TiB 2 , -325 mesh 36% by weight UCAR C-34 cement solid 36.35 〃 UCA C-34 mixture liquid 19.3 〃 Great Lakes Carbon FORTAFIL 3 (0.63cm
Length, unsized carbon fibers) 0.3 UCAR BB-6 graphite particles 8.0 Using a cathode coated with the above composition to a thickness of 0.63 cm,
An industrial VSS aluminum reduction tank was experimentally operated for 310 days. Regarding the last nine months of driving,
The energy efficiency of the tank is lower than the average for this plant per 0.45 kg (1 lb) of aluminum produced.
It was 0.14Kwh low. After 310 days of operation, the test chamber (A-43) was cut open and the molten metal and bath removed, leaving less than 5 cm of metal at the bottom of the cathode well. Examination of a 4.5 cm diameter core sample taken from the test cathode after cooling showed that the coating loss was consistent with the expected coating life determined from metallurgical analysis. (i.e. approximately 1/3 of the original coating thickness was lost.) In the cathode separation zone, there was apparently complete loss of coating. A cathode core sample taken from the cut test tank A-46 (Table) confirmed that the coating loss was consistent with the expected coating life determined from metallurgical analysis. There was no damage to the coating or formation of mud on the cathode surface of this tank. Example 7 The fiber content in the composition was reduced to reduce the tendency to form blisters, since lowering the fiber content reduces the amount of solvent required to impart workability to the coating composition. However, there was a tendency for fine vertical cracks to form in the coating. These cracks allowed solvent volatilization during curing, thus reducing blistering. Using the following composition (CM-78B), a coating film with no blisters and fine cracks was obtained on a cathode block. TiB 2 , -325 mesh 46.0% by weight UCAR C-34 cement solids 28.5% by weight UCA C-34 mix liquid 15.5 〃 UCAR BB-6 graphite particles 10.0 〃 In the early stages of testing this composition, the coating surface was extremely smooth. I faced many problems because I tried to make it. After applying the coating composition to the cathode substrate, it was wetted with excess mix solution and completely smoothed. This smooth coating film developed blisters due to curing. By using excess mix solution, a "skin" was formed on the surface of the coating film during curing, which prevented the volatilization of generated gases. As a result, blistering occurred, resulting in a defective coating film. After that, a light surface finish was applied to the surface of the coating without the use of excess mixing solution, and an acceptable cured surface was obtained without any blistering. It has also been found that ambient temperature is related to the mixing and spreading properties of coating compositions, with lower ambient temperatures resulting in compositions that are harder and more difficult to coat. While the vertical cracks are small, the cracks do not adversely affect the functionality of the coating. Assuming a constant dissolution rate of TiB 2 , the TiB 2 concentration was increased in this composition to increase film life. This composition 0.95
An industrial VSS aluminum reduction tank was experimentally operated for longer than 225 days using a cm-thick coated cathode. The energy efficiency of the tank for the last 6 months is
This was 0.19 Kwh less per 0.45 Kg (1 pound) of aluminum produced than the plant's average value. Example 8 The composition of Example 7 was modified to reduce the number of vertical cracks in the coating. However, the solvent content was not changed to prevent blistering. Preferred compositions (CM-82 and CM-82A) are as follows, and the resin binder used therein had a charcoal production rate of 94% as measured by charcoal production rate analysis. CM−82 TiB 2 powder, carbon random −325 mesh
46.0% by weight UCA C-34 cement solid 28.0 〃 UCAR C-34 mix liquid 15.8 〃 Great Lakes Carbon FORTAFIL 3 (UCAR
C-34 Cement sized carbon fiber, 0.32cm
long) 0.2 〃 UCAR BB-6 graphite particles 10.0 〃 CM-82S TiB 2 powder, Metallurg, -325 mesh 46.0% by weight UCAR C-34 cement solid 28.0 〃 UCAR C-34 mix liquid 15.8 〃 Great Lakes Carbon FORTAFIL 3 (UCAR
C-34 Sized carbon fiber for cement, 0.32cm
0.2 UCAR BB-6 Graphite Particles 10.0 The above composition was successfully applied to 0.95 cm of cathode blocks for two industrial scale VSS aluminum reduction test cells and the cells were operated for 125 days. The number of longitudinal cracks in the coating virtually dropped to zero.
The energy efficiency of the tank during the last two months was 0.08 and 0.05 Kwh lower than the average for the plant, respectively, per 0.45 Kg (1 lb) of aluminum produced. In preparing the coated cathode block of this example, the block was preheated to 40-50°C prior to coating at lower ambient temperatures to provide a good coating composition to avoid the need for extra mix solution. Improved workability. It has also been found that preheating the dry and liquid components of the coating composition prior to their mixing improves the mixing and coating properties of the coating composition. Furthermore, when the concentration of the mix solution was reduced, the formation of blisters was reduced. Additional tests were conducted using various compositions and preheating the cathode block. It has been found that preheating the blocks to 70-80 DEG C. makes application very smooth and easy, but causes premature curing and excessive shrinkage and peeling. It has also been found that a preheating temperature of 40-50°C provides the best combination of workability and reduced shrinkage of the coating composition. The coating compositions described above as well as additional compositions made and used for industrial VSS aluminum bath cathode blocks are summarized in the table below. In the same table, the energy efficiency is 0.45Kg (1 pound) of manufactured aluminum.
The expected coating life is based on the dissolution of TiB 2 into the resulting aluminum. At an energy cost of 22 mils per Kwh, the savings are expected to be on the order of $10 per ton.
【表】【table】
【表】
R○
Carbon FORTAFIL 3) 未サイズ
サイズ化 サイズ化 サイズ化
化
塗布組成物の作製には、前述の実施例で用いた
市販炭素セメントUCAR
C−34の外にも、多
種類の熱硬化性炭素セメントを使用した。殆んど
の場合、良好な塗膜を得た。硬化及び炭化の後の
塗膜の品質が不良であつた場合の殆んどにおい
て、それらの塗布組成物にそれぞれ必要な改質を
行なえば、良好な塗膜が得られるものと思われ
る。
実施例 9
以下の諸成分を組合せ、混合して、塗布組成物
(CM−89)を作つた。
TiB2 36.5%
UCAR
C−37炭素セメント固体 34.6〃
UCAR
C−37ミツクス液 19.2〃
UCAR
BB−6黒鉛粒子 9.7〃
この組成物は、膨張用炭素質充填剤酸洗い黒鉛
フレークを添加した場合は、UCAR
C−34炭
素セメントの組成と本質的に同じである。このも
のは比較的作業性に富み、流動性を有し、住友
SK陰極ブロツク(7.5cm×15cm×5cm)に0.95cm
厚で塗布した場合、容易に広がり作業道具へのく
つつきは殆んどなかつた。
この塗布ブロツクを硬化させるため、1時間か
けて温度を室温から100℃に上昇した。その温度
で4時間保つた後、1時間かけて135℃に加熱し、
その温度で4時間保ち、1時間かけて150℃に加
熱し、12時間その温度に保ち、1時間かけて165
℃に加熱し、その温度に3時間保ち、ついで空冷
した。硬化塗膜は収縮のため、陰極基体表面の外
側端部において剥離を示したが、内部空隙率は小
さく、水平方向のひび割れは非常に少なく、表面
欠陥はなかつた。
ついで塗布陰極基体を炭化するため、アルゴン
雰囲気中で24時間1000℃に加熱し、室温に放冷し
た。炭化により塗膜は本質的に破壊し、基体表面
には事実上塗膜が残つていなかつた。この実施例
は、塗布組成物に用いる炭素質添加剤の選択の重
要性を示すものである。この特定例においては、
炭素セメント樹脂中に相溶性のない添加剤、具体
的には膨張を起すのに適している黒鉛フレーク添
加剤を入れた。
実施例 10
以下のものの混合物から、塗布組成物(CM−
90)を作つた。
TiB2、−325メツシユ 35%
UCAR
C−38炭素セメント固体 33.4〃
UCAR
C−38ミツクス液 22.2〃
UCAR
BB−6黒鉛粒子 9.4〃
UCAR
C−38セメントは、酸化防止剤を添
加すれば、UCAR
C−34炭素セメントと本質
的に同じであると思われる。この塗布組成物は、
良好な作業性、流動性を示し、実施例9で述べた
住友SKブロツク上に容易に広げ得た。ついで、
この塗布ブロツクを実施例9と同様に硬化させ
た。硬化塗布組成物は、非常に大きな表面下ふく
れ、良好な結合、良好な密度を示し、表面欠陥は
なかつた。
実施例9で述べたと同様の炭化を行なつた後の
炭化塗膜は、塗膜の収縮により剥離を示したが、
表面欠陥は見られなかつた。この塗布組成物は本
発明において充分使用することができ、塗膜と陰
極基体間で炭素セメントの結合層が生成するもの
と思われる。
実施例 11
以下の組成を有する塗布組成物(CM−87)を
作つた。
TiB2 33.6%
Stebbins AR−20−C炭素セメント固体 37.5〃
Stebbins AR−20−QCミツクス液 28.9〃
Stebbins AR−20−QCミツクス液は、フルフ
リルアルコール低樹脂ポリマーのような部分重合
フラン樹脂を含むものと思われる。フルフラル並
びに無水フタール酸のような潜在性触媒も存在す
ると思われる。この炭素セメントのセメント固体
は、触媒及びアニリン改質剤と共に炭素粉を含む
と思われる。
この塗布組成物を前述したのと同様な手順で陰
極基体に塗布し、30℃で24時間硬化し、3時間か
けて110℃に加熱し、その温度に24時間保つた。
この組成物は、作業性は悪く、硬く、陰極基体に
塗布以前にくつつき易かつたが、硬化後の水平方
向のひび割れは非常に小さかつた。硬化塗膜は硬
く、ふくれや大きなひび割れはなく、密度は良好
で、基体への結合は非常に強かつた。実施例9と
同様に炭化させた塗膜は、収縮によるひび割れは
僅かであり、収縮による剥離も僅かであり、密度
度は良好であつたが、破砕部分が大きかつた。
実施例 12
以下のものを用いて類似の塗布組成物(CM−
88)を作つた。
Stebbins AR−25−HT炭素セメント固体 38.7%
Stebbins AR−25−HTミツクス液 28.3〃
TiB2 33〃
このセメントは、フルフリルアルコールの改質
フラン樹脂、フルフリルアルコールの低樹脂重合
体、並びに潜在性触媒を含んでいると思われる。
塗布組成物は硬く、くつつき易く、作業性が不良
であつた。塗布基体を実施例11にのべたと同様に
して硬化させた。硬化塗膜の性状は、実施例11の
硬化塗膜のそれと同様であつた。炭化後の塗膜
は、実施例11のそれよりも大きな収縮を示し、剥
離を起した。しかし、表面層に破砕やひび割れは
みられなかつた。
実施例 13
Atlas CARBO−VITROPLAST炭素セメント
なる商品名の、炭素充填剤入りポリエステル樹脂
をTiB235%とまぜ、塗布組成物(CM−92)を作
つた。このものは作業性良好、流動性良好で、粘
着性なく、実施例9にのべた通りに陰極基体上に
容易に広がつた。
塗布基体を硬化させるため、1時間だ100℃に
加熱し、その温度に3時間保ち、1時間で165℃
に加熱し、その温度に10時間保ち、1時間で200
℃に加熱し、1/2時間保ち空冷した。硬化塗膜は
基体は対する結合力が優れ、密度も優れ、表面欠
陥を有さなかつた。実施例9で述べたと同様に、
塗布基体をついで炭化に付した。炭化塗膜は完全
に剥離し、塗膜は完全であつたが広範囲に小さい
空隙を有していた。塗膜は表面欠陥を示さなかつ
たが、非常に軽く容易に粉化した。本塗布組成物
の作製に用いた樹脂結合剤はわずか8%の炭生成
率を示したが、これはこのパラメーターの重要性
を表わすものである。
実施例 14
製造者の指示通りにAtlas CARBO−ALKOR
(炭素充填剤入りフラン樹脂系の炭素セメント)
を作り、それを充分量のTiB2(ブレンドの35%)
とまぜた。この塗布組成物(CM−93)は非常に
良好な作業性を示した。実施例13で述べた通りに
硬化した後の塗膜は、基体全体に亘つて良好な結
合を示し、塗膜表面広範囲に破砕を示し、その密
度は妥当なものであつた。炭化後の塗膜は、剥離
をわずか生じ、より広範囲の破砕を起し、収縮に
より表面に大きなひび割れを生じた。この塗布組
成物のミツクス液の3.5%を3.5%の石けん(ガス
放出剤)で置換して得た塗膜は、許容し得るもの
であつた。
実施例 15
炭素充填剤入りの、フエノール樹脂系のセメン
トで、溶剤(ブチルアルコール)入りと思われる
Atlas CARBO−KOREZ炭素セメントを用いて、
実施例13と同様にして、塗布組成物(CM−94)
を作つた。塗布組成物は作業性が極めて悪く、極
端に硬く、炭素基体上に広げるのが難しかつた。
実施例13と同様にして得た硬化塗膜は、結合力が
良好、密度も良好で、表面欠陥を有さなかつた。
しかし炭化後の塗膜は、収縮による剥離を示し
た。Atlas CARBO−KOREZ樹脂のミツクス液
(ブチルアルコール)をフルフリルアルコールで
置換すれば、陰極基体に対する含浸が改善され、
従つて結合力が向上するものと思われる。
実施例 16
TiB235%と予備混合したDYLONグレードGC
炭素セメントとを用いて塗布組成物を作つた。
DYLON炭素セメントは、10%より少ない量の粉
末コールタールピツチ、20%より少ない量のフエ
ノール樹脂、並びに35%より少ない量のフルフリ
ルアルコールを含むものと思われる。この塗布組
成物は非常に良好な作業性を示したが、実施例9
におけると同様にして得た硬化塗膜は、広範囲の
大きなひび割れと剥離を示した。かなりの程度の
水平ひび割れ並びに高い空隙率もみられた。この
塗膜は、硬化後の状態が不良であることからみ
て、炭化させる価値がないと思われた。この組成
物を組替えるため、石けん(ガス放出剤)を3.5
%添加した所、硬化後、炭化後の何れの塗膜も優
れていた。これは、塗布組成物に対する付加物質
の選択の重要性を示すとともに、塗布組成物の破
損が、揮発分が揮散するために必要な空隙率の不
足によるものであることを示す。
実施例 17
TiB245℃、予備混合したAremco GRAPHI−
BOND
グレード551−R炭素セメント55%を用
い、塗布組成物を作つた。この炭素セメントは、
黒鉛60%、フルフリルアルコール40%を含むもの
と思われ、圧力の低下用に用いるよう特別に作つ
たものである。この塗布組成物は平滑で、陰極基
体への塗布は比較的容易であつた。実施例9で述
べたと同様にして塗布基体を硬化に付した所、塗
膜の結合は良好で密度は妥当なものであり、端部
付近に垂直方向のひび割れ並びに広範囲に水平方
向の細かいひび割れが生じた。炭化後は、収縮に
より端部付近に剥離が生じたが、塗膜の密度は妥
当なものであり、垂直方向の大きなひび割れ並び
に水平方向の細かいひび割れがそれぞれ或るる程
度存在した。ガス放出剤及び炭素質添加剤を加え
るとこれらの問題が解決されると考えられる。
実施例 18
Aremco GRAPHI−BOND
グレード551−
R(黒鉛32%とケイ酸アルミニウムナトリウム68
%を含むと思われる)を用いて、実施例17と同様
にして塗布組成物を作つた。このものは流動性に
富み広がると云うより流れた。実施例9における
と同様にして塗布基体を硬化に付したが、100℃
で4時間後に塗膜中に巨大なふくれが生じた。塗
膜は極度に多孔質であつたが、結合は良好であつ
た。炭化後の塗膜は、変化がないようにみえた
が、よりこわれ易くなり、端部付近で剥離がわず
かみられた。本実施例は、本発明に不適当な塗布
組成物の例を示す。
実施例 19
TiB245%と、黒鉛粒子と結合剤をもとにして
いると思われる、予備混合したGreat Lakes
CarbonグレードP−514炭素セメントとを用い、
別の塗布組成物を作つた。このものは容易に作業
でき、陰極基体上で容易に平滑化できた。実施例
9におけると同様にして硬化した所、100℃、4
時間で広範囲の大規模の多孔化及び破砕が起つ
た。結合は良好で孔と孔の間の部分の密度は良好
であつた。塗膜は輝きを有し、孔内部や破砕部分
の下は、ガラス状の外観を呈していた。炭化後の
塗膜は不変にみえた。たゞし、端部にそつて大き
な垂直方向のひび割れが生じ、剥離がわずかに起
つた。3.5%のミツクス液を3.5%の石けん(ガス
放出剤)で置換して前記組成物の組成変更を行な
つた所、許容性のある塗膜を得た。
実施例 20
1,3−シクロヘキサジエンをチーグラー・ナ
ツタ触媒を使用して重合させ、ついでハロゲン化
及び脱ハロゲン化水素して、非熔融性のポリフエ
ニレン重合体を作る。これにより、分子量約4000
のパラフエニレン重合体が作られる。比較的低分
子量であり、比較的不溶性なので、この樹脂のみ
では、本発明の使用に不適である。
1,3,5−トリフエニレンベンゼンの陽イオ
ン酸化重合により、熔融性ポリフエニレン樹脂
(例えば、トリクロロベンゼンに可溶)を作る。
反応生成物は非熔融性のポリフエニレン副産物を
含有するので、分別蒸留により除く。蒸留で得た
ポリフエニレンは1000〜1500の分子量を有する。
前記2種の樹脂を用い、塗布組成物を以下のよ
うに作る、2種の樹脂を別々に−325メツシユに
粉砕し、高速ブレンダー中で15分間充分に混合す
る。その場合の両者の比率は、非熔融性ポリフエ
ニレンが1.6重量%(塗布組成物に対し)、熔融性
ポリフエニレンが3.3重量%である。この混合物
に、黒鉛粉(UCAR
GP38P)を16.3重量%及び
REGAL
400ペレツト(Cabot Corporationの
カーボン・ブラツク)を8.2重量%添加した。
トリエタノールアミン(TEA)オレエート1.6
重量%及びクロロホルム11.4重量%を含むミツク
ス液を作る。TEAオレエートを100℃に加熱して
まず液状にし、ついでそれをクロロホルム中に流
し込む。
ポリフエニレン樹脂粉末、黒鉛粉末及びカーボ
ン・ブラツクを含む乾燥成分にカーボンランダム
−325TiB247.3重量%、ユニオン・カーバイド
UCAR
BB−6黒鉛粒子9.8重量%並びにGreat
Lakes Carbon FORTAFIL
(0.32cmのサイズ
化せん維)0.5重量%を加える。これら成分をド
ライブレンドし、ミツクス液を加え、全体を均一
な分散物とする。
この塗布組成物を普通の方法で陰極ブロツク上
に広げ、0.95cm厚の層とする。ついでこのブロツ
クを空気中に1時間放置し、溶剤の一部を蒸発さ
せる。硬化を行なうために、塗布ブロツクをゆつ
くり70℃に加熱してミツクス液の殆んどを蒸発さ
せ、ついでゆつくり80℃に加熱しその温度に2時
間保つ。再び温度をゆつくり200℃に上げ、8時
間保つ。ついで、ブロツクを室温に冷却する。
次に、部分炭化を行なうため、135℃で9時間
加熱し、24時間かけてゆつくり300℃に上げ、そ
の温度で6時間保つ。満足な塗膜が得られる。
実施例 21
以下の組成を有する塗布組成物(CM−91)を
作つた。
TiB2、−325メツシユ、カーボランダム 44.9%
UCAR
C−34炭素せん維固体 28〃
UCA
C−34ミツクス液 14.7〃
UCAR
88−6黒鉛 12〃
Great Lakes Carbon FORTAFIL
3(0.32cm
サイズ化繊維) 0.4〃
せん維含量が高いため、このものの混合は困難
であつた。TiB2の分散が不良で、塗布作業の半
ばでこの組成物の再混合が必要であつた。
このものを実用サイズの陰極ブロツクに塗布
し、1晩50℃に予熱した。このものの塗布は、ブ
ロツクを加熱しない中は困難であつた。
塗膜を1.27cmにならし、半平滑化し、実施例9
にのべた通りに硬化した。冷却後、欠陥は見当ら
なかつた。
塗膜をついで硬化した所、結合は満足すべきも
のであり、表面は許容できるものであつた。
本発明に関するこれ迄の説明は、当業者により
適度に修正、変更れ得るものであると理解され
る。また、それらの修正変更は、請求の範囲で述
べる本発明の範囲の中で考慮されるべきものであ
る。[Table] R○
Carbon FORTAFIL 3) Unsized
Sizing Sizing Sizing
In addition to the commercially available carbon cement UCAR C-34 used in the previous examples, various thermosetting carbon cements were used to prepare the coating compositions. In most cases good coatings were obtained. In most cases where the quality of the coating after curing and carbonization is poor, it is believed that good coatings will be obtained if the respective necessary modifications are made to the coating compositions. Example 9 The following ingredients were combined and mixed to make a coating composition (CM-89). TiB 2 36.5% UCAR C-37 Carbon Cement Solid 34.6〃 UCAR C-37 Mixture Liquid 19.2〃 UCAR BB-6 Graphite Particles 9.7〃 This composition has The composition is essentially the same as that of UCAR C-34 carbon cement. This material is relatively easy to work with, has fluidity, and is
0.95cm on SK cathode block (7.5cm x 15cm x 5cm)
When applied thickly, it spread easily and hardly stuck to work tools. To cure the coated block, the temperature was raised from room temperature to 100°C over a period of 1 hour. After keeping it at that temperature for 4 hours, it was heated to 135℃ for 1 hour.
Hold at that temperature for 4 hours, heat to 150℃ for 1 hour, keep at that temperature for 12 hours, heat to 165℃ for 1 hour.
℃ and held at that temperature for 3 hours, then air cooled. Although the cured coating showed peeling at the outer edge of the cathode substrate surface due to shrinkage, the internal porosity was small, there were very few horizontal cracks, and there were no surface defects. Then, in order to carbonize the coated cathode substrate, it was heated to 1000° C. for 24 hours in an argon atmosphere and allowed to cool to room temperature. Carbonization essentially destroyed the coating, leaving virtually no coating remaining on the substrate surface. This example illustrates the importance of selecting the carbonaceous additive used in the coating composition. In this particular example,
Incompatible additives were incorporated into the carbon cement resin, specifically graphite flake additives, which were suitable for causing expansion. Example 10 A coating composition (CM-
90) was created. TiB 2 , -325 mesh 35% UCAR C-38 carbon cement solid 33.4〃 UCAR C-38 mix liquid 22.2〃 UCAR BB-6 graphite particles 9.4〃 UCAR C-38 cement can be converted into UCAR C by adding antioxidant. It appears to be essentially the same as −34 carbon cement. This coating composition is
It exhibited good workability and fluidity and could be easily spread on the Sumitomo SK block described in Example 9. Then,
This coated block was cured as in Example 9. The cured coating composition exhibited very large subsurface blisters, good bonding, good density, and no surface defects. The carbonized coating film after carbonization similar to that described in Example 9 showed peeling due to shrinkage of the coating film, but
No surface defects were observed. It is believed that this coating composition can be used satisfactorily in the present invention and forms a bonding layer of carbon cement between the coating and the cathode substrate. Example 11 A coating composition (CM-87) having the following composition was prepared. TiB 2 33.6% Stebbins AR-20-C carbon cement solid 37.5〃 Stebbins AR-20-QC mix liquid 28.9〃 Stebbins AR-20-QC mix liquid contains partially polymerized furan resins such as furfuryl alcohol low resin polymers It seems to be. Latent catalysts such as furfural as well as phthalic anhydride may also be present. The cement solids of this carbon cement appear to include carbon powder along with catalyst and aniline modifier. This coating composition was applied to the cathode substrate in the same manner as described above, cured at 30°C for 24 hours, heated to 110°C over 3 hours, and maintained at that temperature for 24 hours.
This composition had poor workability, was hard, and was easily punctured before being applied to the cathode substrate, but the horizontal cracks after curing were very small. The cured coating was hard, with no blisters or large cracks, good density, and very strong bond to the substrate. The coating film carbonized in the same manner as in Example 9 had only a few cracks due to shrinkage, little peeling due to shrinkage, and a good density, but the fractured portions were large. Example 12 A similar coating composition (CM-
88). Stebbins AR-25-HT Carbon Cement Solid 38.7% Stebbins AR-25-HT Mix Liquid 28.3〃 TiB 2 33〃 This cement contains a modified furan resin of furfuryl alcohol, a low resin polymer of furfuryl alcohol, and a latent It seems to contain a catalyst.
The coating composition was hard, easily scratched, and had poor workability. The coated substrate was cured in the same manner as in Example 11. The properties of the cured coating film were similar to those of the cured coating film of Example 11. The coating film after carbonization showed greater shrinkage than that of Example 11 and peeled off. However, no fractures or cracks were observed in the surface layer. Example 13 A carbon-filled polyester resin, trade name Atlas CARBO-VITROPLAST carbon cement, was mixed with 35% TiB 2 to form a coating composition (CM-92). This product had good workability, good fluidity, no stickiness, and easily spread on the cathode substrate as described in Example 9. To cure the coated substrate, heat it to 100℃ for 1 hour, keep it at that temperature for 3 hours, and heat it to 165℃ for 1 hour.
Heat to
℃ and kept for 1/2 hour and air cooled. The cured coating had excellent bonding strength to the substrate, excellent density, and no surface defects. As described in Example 9,
The coated substrate was then subjected to carbonization. The carbonized coating was completely peeled off, and although the coating was intact, it had small voids over a wide area. The coating showed no surface defects, but was very light and powdered easily. The resin binder used to make the present coating composition showed a char production rate of only 8%, demonstrating the importance of this parameter. Example 14 Atlas CARBO−ALKOR as per manufacturer's instructions
(Furan resin-based carbon cement with carbon filler)
and add enough TiB 2 (35% of the blend)
I mixed it up. This coating composition (CM-93) showed very good workability. After curing as described in Example 13, the coating showed good bonding throughout the substrate, extensive fractures on the coating surface, and a reasonable density. The coating film after carbonization showed slight peeling, more extensive fracture, and large cracks on the surface due to shrinkage. A coating obtained by replacing 3.5% of the mix in this coating composition with 3.5% soap (a gas releasing agent) was acceptable. Example 15 A phenolic resin-based cement containing carbon filler, which appears to contain a solvent (butyl alcohol).
Using Atlas CARBO-KOREZ carbon cement,
Coating composition (CM-94) was prepared in the same manner as in Example 13.
I made it. The coating composition had very poor workability, was extremely hard, and was difficult to spread onto carbon substrates.
The cured coating film obtained in the same manner as in Example 13 had good bonding strength, good density, and no surface defects.
However, the coating after carbonization showed peeling due to shrinkage. Replacing the mix solution (butyl alcohol) of Atlas CARBO-KOREZ resin with furfuryl alcohol improves the impregnation of the cathode substrate.
Therefore, it is thought that the bonding strength is improved. Example 16 DYLON grade GC premixed with TiB 2 35%
A coating composition was prepared using carbon cement.
DYLON carbon cement is believed to contain less than 10% powdered coal tar pitch, less than 20% phenolic resin, and less than 35% furfuryl alcohol. This coating composition showed very good workability, but Example 9
The cured coating obtained in the same manner as in showed extensive large cracking and peeling. Significant horizontal cracking and high porosity were also observed. This coating did not appear to be worth carbonizing due to its poor condition after curing. To recombine this composition, add 3.5% soap (gas releasing agent)
% added, both the coating films after curing and after carbonization were excellent. This demonstrates the importance of the selection of addenda to the coating composition and indicates that failure of the coating composition is due to lack of porosity necessary for volatiles to evaporate. Example 17 TiB 2 45°C, premixed Aremco GRAPHI−
A coating composition was made using 55% BOND grade 551-R carbon cement. This carbon cement is
It appears to contain 60% graphite and 40% furfuryl alcohol, and was specially made for use in reducing pressure. This coating composition was smooth and could be applied to the cathode substrate relatively easily. When the coated substrate was cured in the same manner as described in Example 9, the coating bond was good and the density was reasonable, with vertical cracks near the edges and fine horizontal cracks over a wide area. occured. After carbonization, peeling occurred near the edges due to shrinkage, but the density of the coating film was reasonable, and large cracks in the vertical direction and fine cracks in the horizontal direction were present to some extent. It is believed that the addition of gas releasing agents and carbonaceous additives solves these problems. Example 18 Aremco GRAPHI−BOND Grade 551−
R (32% graphite and 68% sodium aluminum silicate
%) was used to prepare a coating composition in the same manner as in Example 17. This thing was very fluid and flowed rather than spreading. The coated substrate was subjected to curing as in Example 9, but at 100°C.
After 4 hours, huge blisters appeared in the paint film. Although the coating was extremely porous, the bond was good. The coating film after carbonization appeared to be unchanged, but it became more brittle and slight peeling was observed near the edges. This example illustrates an example of a coating composition that is unsuitable for the present invention. Example 19 Great Lakes pre-mixed TiB 2 45% and possibly based on graphite particles and binder
Using Carbon grade P-514 carbon cement,
Another coating composition was made. This was easy to work with and could be easily smoothed onto the cathode substrate. Cured in the same manner as in Example 9, 100°C, 4
In time, extensive large-scale porosity and fracture occurred. The bonding was good and the density between the pores was good. The coating had a shine, and the inside of the pores and under the fractured parts had a glass-like appearance. The coating film appeared unchanged after carbonization. However, large vertical cracks developed along the edges and slight delamination occurred. A modification of the composition by substituting 3.5% soap (a gas releasing agent) for the 3.5% mixture gave acceptable coatings. Example 20 1,3-Cyclohexadiene is polymerized using a Ziegler-Natsuta catalyst, followed by halogenation and dehydrohalogenation to produce a non-melting polyphenylene polymer. This results in a molecular weight of approximately 4000
A paraphenylene polymer is produced. Due to its relatively low molecular weight and relative insolubility, this resin alone is unsuitable for use in the present invention. Cationic oxidative polymerization of 1,3,5-triphenylenebenzene produces meltable polyphenylene resins (eg, soluble in trichlorobenzene).
The reaction product contains non-melting polyphenylene by-products and is removed by fractional distillation. Polyphenylene obtained by distillation has a molecular weight of 1000-1500. A coating composition is prepared using the above two resins as follows. The two resins are separately ground into a -325 mesh and thoroughly mixed in a high speed blender for 15 minutes. In this case, the ratio of the two is 1.6% by weight (based on the coating composition) for non-melting polyphenylene and 3.3% by weight for melting polyphenylene. Add 16.3% by weight of graphite powder (UCAR GP38P) to this mixture.
8.2% by weight of REGAL 400 pellets (carbon black from Cabot Corporation) were added. Triethanolamine (TEA) oleate 1.6
% by weight and 11.4% by weight of chloroform. TEA oleate is heated to 100°C to first make it liquid, then it is poured into chloroform. Random carbon in dry ingredients including polyphenylene resin powder, graphite powder and carbon black - 325TiB 2 47.3% by weight, union carbide
UCAR BB-6 graphite particles 9.8% by weight and Great
Add 0.5% by weight of Lakes Carbon FORTAFIL (0.32cm sized fiber). These ingredients are dry blended and a mixer is added to form a uniform dispersion. This coating composition is spread over the cathode block in the usual manner to form a 0.95 cm thick layer. The block is then left in the air for one hour to allow some of the solvent to evaporate. To effect curing, the coating block is slowly heated to 70°C to evaporate most of the mix, then slowly heated to 80°C and held at that temperature for 2 hours. Slowly raise the temperature again to 200℃ and keep for 8 hours. The block is then cooled to room temperature. Next, to perform partial carbonization, it was heated at 135°C for 9 hours, slowly raised to 300°C over 24 hours, and kept at that temperature for 6 hours. A satisfactory coating film can be obtained. Example 21 A coating composition (CM-91) having the following composition was prepared. TiB 2 , -325 mesh, carborundum 44.9% UCAR C-34 carbon fiber solid 28〃 UCA C-34 mix liquid 14.7〃 UCAR 88-6 graphite 12〃 Great Lakes Carbon FORTAFIL 3 (0.32cm
Sized fiber) 0.4〃 Due to the high fiber content, it was difficult to mix this material. Poor dispersion of TiB 2 required remixing of the composition halfway through the application run. This material was applied to a practical size cathode block and preheated to 50°C overnight. Application of this was difficult without heating the block. The coating film was leveled to 1.27 cm, semi-smoothed, and Example 9
It cured exactly as I said. After cooling, no defects were found. When the coating was subsequently cured, the bond was satisfactory and the surface was acceptable. It is understood that the foregoing description of the present invention can be modified and changed as appropriate by those skilled in the art. Further, such modifications and changes are to be considered within the scope of the invention as set forth in the claims.